基于石墨烯Tamm等离子体激元的太赫兹强耦合效应

设计了一种全新的一维石墨烯-光子晶体(PhC)复合谐振结构,使用传输矩阵法(TMM)对其所支持的太赫兹Tamm等离子体激元(TPP)和腔体模式(CM)之间的强耦合效应进行理论研究。研究表明,用于表征耦合强度的Rabi分裂能随着光子晶体周期数的减小而增大;改变间隔层和腔体厚度以及石墨烯的费米能级时,也会影响Rabi分裂能。最后通过入射角度对耦合模式进行主动调控,当入射角处于0°~60°时,耦合模式的特性与偏振无关。本文的研究结果为太赫兹强耦合效应的研究和应用提供了新的思路。

纳米硅上等离子体激元与光子相互作用对电子局域态及发光的调控

用脉冲激光制备纳米硅的过程中,在Purcell腔中会形成等离子体晶格结构,这是等离子体激元与光子相互作用的结果,其形成的等离子体晶格与Wigner晶体结构很相似。利用光致发光光谱研究局域态发光特征从而去控制纳米硅结构的发光,在氧气或氮气环境下制备纳米硅样品,由于表面键合作用形成电子局域态会产生几个特征发光峰,分别位于560、600和700 nm附近。在氧气环境下用激光照射硅晶片形成硅量子点,可以观察到样品的拉曼光谱随着测量温度的增加而产生频谱移动,这个过程伴随着声子能量的变化。温度较高时,光致发光峰强度下降,同时发射频谱变宽。在77 K时,可以观察到光致发光峰的红移,这表明局域态发光在纳米硅发光的激活起着重要作用。在带隙中产生的局域态取决于表面键合的情况,表面键合可以激活硅量子点而增强发光。在硅薄膜上掺入稀土金属镱会形成电子局域态发光,可将电致发光的波长调控进入光通讯窗口。

损耗对表面等离子体激元压缩态的影响

表面等离子体激元是金属表面电子集体振荡,它以波的形式在金属和介质之间的界面中传播.近期Huck等证明等离子体激元可以处在压缩态,本文利用量子光学的热库理论,研究金波导损耗对表面等离子体激元压缩态的影响,并对Huck等的实验结果给与理论解释.

银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元的耦合

利用传输矩阵研究了银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元(TPPs)的耦合态。我们的数值结果表明当光子晶体的周期数n>10时,存在两本征波长相同的非耦合Tamm等离子体极化激元(非耦合TPPs),当n≤10时,两非耦合Tamm等离子体极化激元发生耦合,劈裂成两本征波长不同的耦合Tamm等离子体极化激元。随着n的减小,两耦合Tamm等离子体极化激元(耦合TPPs)间的劈裂能量增大,当n=3时,劈裂能量达到287.5meV。从银-光子晶体-银结构中的实时电场分布可以得到:本征波长较长的耦合TPP由两非耦合TPPs对称耦合产生,而本征波长较短的耦合TPP由两非耦合TPPs反对称耦合产生。

平面金属等离激元超材料对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用

本文对具有类EIR色散特性的平面金属等离激元超材料(planar plasmonic metamaterials,PPM)对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用进行了研究.我们首先运用传输矩阵方法分析了利用PPM结构的色散来增强光学Tamm态对应模式电磁局域密度的可能性.其次,我们将具有类EIR特性的PPM与一维光子晶体(photonic crystal,PC)合在一起设计了一种平面等离激元超材料-光子晶体(PPM-PC)异质结构.研究发现,通过在电磁局域密度最高的PPM结构中(或附近)加入增益介质,可观察到比通常光学Tamm态更强的激射增强效应及更明显的单色性响应.这些特性使得这种PPM-PC结构有望被应用于低阈值激光器、荧光增强等方面.

含光学Tamm态多通道表面等离激元吸收器

提出了基于光学Tamm态耦合的多通道表面等离激元吸收器。通过在金属-电介质-金属波导中引入光子晶体-金属异质结构设计了单向吸收器。对处于带隙范围内正向入射的电磁波,当满足阻抗匹配时产生光学Tamm态,吸收率高达0.988。表面等离激元波导内光子晶体/金属异质结构的非对称性导致单向阻抗匹配和吸收。当波导中引入多个光子晶体/金属异质结构时,由于多重光学Tamm态耦合产生多个劈裂的吸收峰。吸收峰的频率可以通过改变光学Tamm态之间的耦合强度来调节。所提出的多通道单向表面等离激元吸收器将在光学集成电路及太阳能电池等领域具有潜在的应用。

周期性孔阵列金属表面附近的局域态密度

研究了具有周期性孔阵列的金属表面附近的电磁局域态密度(EM-LDOS),详细讨论了孔的填充因子和孔内填充介质对EM-LDOS的影响。相对于金属平板,具有孔阵列的金属表面附近的EM-LDOS的共振峰会发生分裂;随着填充因子的增加,横向表面等离子体激元的共振峰向低频方向移动,而纵向表面等离子体激元的共振峰向高频方向移动。当孔内填充具有更大介电常数的材料时,EM-LDOS谱中分裂的两个峰都会向低频方向移动,但低频峰的移动相对于高频峰的更为显著。

非互易光传输方向的主动调控

为实现非互易光传输的主动控制,提出了一种基于石墨烯光子晶体和磁光半导体材料的结构,通过对磁光半导体外加磁场,打破时间反转对称,获得了非互易的磁Tamm态等离子体激元(MTPP)。通过分析不同条件下的透射谱,研究了结构参数、外加磁场,以及石墨烯化学势对MTPP的影响。结果表明,通过调控外加磁场和石墨烯化学势,可以实现单向光传输的主动控制以及正、反双向光传输的灵活转换。该结构及其调控方法在光二极管和光开关等应用领域具有潜在的应用价值。