“等离激元新效应与使用”专题 前语

 

——刘辉 方哲宇 祝世宁

[摘要]光与物质的相互效果一向都在吸引着人们的研讨爱好,它也是与各种光学使用有着广泛联络的根底物理问题。等离激元是光与凝聚态物质相互效果构成的一种新式元激起准粒子,具有特别的色散与光传输特性,是微纳光子学研讨前沿范畴之一。长程传达的等离激元在传达进程中波矢色散很大,可以打破衍射极限,完成亚波长标准光信号的传输、超分辩成像、超分辩光刻等。亚波长结构的等离激元具有很强的电磁共振...

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非线性外表等离激元:开展与机会

李杨,石俊俊,郑迪,康猛,付统,张顺平,徐红星

武汉大学物理科学与技能学院

[摘要]非线性光学作为现代光学及光子学的重要分支,首要研讨强光与非线性介质资料相互效果所发作的现象及相关使用,包含光学谐波发作,激光频率调制,超快光开关,光学勘探及光学成像等[1-3]。尽管,非线性光学效应在光子器材上现已被广泛使用,而且在许多方面表现出其共同的优势,可是只有当外加电场的强度足够大时,才会有比较显着的非线性效应发作。因而,资料固有的非线性光学呼应很弱,现有的非线性光学晶体多经过添加相互效果长度来进步非线性转化功率,但是因为其标准较大,很难适用于集成微纳光电子器材范畴。正因如此,在微纳标准下进步弱光非线性转化功率对错线性光学开展的一个严峻应战。

超外表改换光学的研讨开展

盛冲,刘辉,祝世宁

南京大学物理学院固体微结构国家要点试验室人工微结构科学与技能协同立异中心

[摘要]近年来,改换光学与超构资料的提出及开展为人们供给一种操控电磁波的新范式。众所周知,超构资料是一种周期性人工微结构的新颖资料,其结构单元的几许标准及单元距离远小于作业波长。因而关于电磁波来说,由这些亚波长单元组成的微观系统可以看作为介电常数、磁导率、折射率等性质与原资料显着不同的人工新资料。该资料可经过调理结构单元来自在调控其电磁参数,特别是完成天然界所不存在的资料,其间负折射率资料被广泛报导。关于负折射率资料,光入射到其外表发作反射和折射时,入射光和折射光散布在外表法线的同一边,而不是像正常资料那样散布在两头。与此一起,改换光学提出关于电磁波来说“曲折空间”等价于“非均匀各向异性资料”的概念,可依照人为志愿规划资料的电磁参数然后操控电磁波以预设途径进行传达。跟着试验技能的开展,特别是微纳加工水平的进步,在试验上可完成赋有想象力的改换光学器材,比如科幻电影里的隐身大氅。但大多数改换光学器材只在微波或许近红外波段作业,在可见光波段作业试验上仍存在很大应战。其一是制备工艺问题,如果在可见光波段作业需求在更小的标准上制备人工结构单元,关于现在微纳加工的精度来说是一个应战;其二是损耗问题,一般超构资料的作业单元是金属的人工共振劈裂环或光子晶体,关于由共振调控电磁参数的金属结构单元无法防止金属的欧姆损耗,而光子晶体经过结构单元散射调控等效参数,因而散射损耗很难战胜,这些损耗问题在可见光波段会变得特别严峻。

外表等离激元热电子光电勘探

于远方,倪振华

东南大学物理学院

[摘要]光电勘探器可以将光信号转化为电信号,在光通讯、成像、环境监测、军事等范畴有非常广泛的使用。为完成高活络、快速、宽波段呼应光电勘探,研讨人员在器材的原理及结构规划上不断探究。常见的光电勘探器首要根据光电导、光伏、光热电等机制。在光电导器材中,一品种型的光生载流子被缺点态等捕获,而另一种载流子在电场驱动下在器材沟道内屡次循环,然后引进光电导增益。经过延伸少量载流子的寿数或选用高迁移率沟道资料,可获得较高的光电导增益。但是,光电导器材的呼应遍及较慢,一般在ms到s量级。根据光伏效应的勘探器则依托结区的内建电场将光生电子-空穴对别离,发作光生电势差或光生电流。光伏型勘探器一般具有较快的呼应速度,但因为缺少增益机制,器材的呼应度不高。光电导及光伏器材的波长勘探极限一般受限于半导体资料的带隙。例如,硅基勘探器的呼应波长小于1.1 μm,对应硅资料约1.1 eV的带隙。差异于上述器材,光热电器材可以将光吸收引起的温差转化成电压然后完成光电勘探。光热电器材可不受带隙约束而且可以进行无需制冷的长波红外光勘探(中红外乃至THz波段)。但一般状况下,光热电器材的呼应速度很慢,一般在s级。完成兼备高活络、快速、宽波段呼应的光电勘探仍是当时严峻的应战,特别是在红外光勘探方面,对兼具快速呼应及高活络度的器材的需求非常火急。

光纤端的等离激元勘探技能

杨天,陈成,王晓丹,周鑫,雷泽雨

上海交通大学电子信息与电气工程学院,区域光纤通讯网与新式光通讯系统国家要点试验室

[摘要]在单模光纤的端平面集成外表等离激元谐振(SPR)微纳器材,是交融微纳光学与光纤通讯技能的一种共同途径。在对生化物质和环境场的勘探中,这类技能现已明晰地展示出使用价值。与根据自在空间光束耦合到外表等离极化激元(SPP)的现有商业设备比较,光纤导波耦合的办法具有体积紧凑、光路活络的明显优势。一起,细微的光纤端可以插进微量样品经过dip-and-read的办法直接读取信号,也可以伸入狭小的空间进行内窥勘探,减轻内窥操刁难检测目标构成的损伤。近10年来,针对这类器材,人们不断地开展与进步理论模型及制备工艺,并演示了对生物分子与声波的勘探功用。在2018年英国物理学会发布的陈述《The health of photonics》中,针对老龄化社会列出6项光学技能处理方案,其间就包含“在专用光纤上装置细小传感器,完成即时、高活络度的化学与生物剖析。”另一方面,锥形光纤探针,因其较低的布景散射和快捷的制备工艺,也是一种集成等离激元纳米器材的杰出渠道。其间,经过扫描探针显微(SPM)技能操作黏附在锥形光纤顶端的等离激元纳米颗粒天线,是完成等离激元天线精细动态调控的重要手法。本文拟结合作者的研讨心得,对这两方面的研讨现状、开展途径和使用远景进行介绍与评论。

等离激元光热效应的新使用:太阳能蒸气发作

梁洁,刘鑫,周林

南京大学现代工程与使用科学学院智能光传感与调控教育部要点试验室

[摘要]1902年,Wood发现当TM偏振的入射光照耀金属反射光栅外表时,反射光谱中会呈现反常的吸收现象,这一现象引起了包含Fano在内的很多科学家的重视。1958年,Ferrell初次得到金属外表电磁波的色散联系,提醒了外表等离激元在联系中的重要效果。当发作外表等离激元共振(SPR)时,金属微纳结构对入射光的吸收和散射都急剧增强,可以有用地增强光与物质的相互效果。使用金属微纳结构完成等离激元增强(辅佐)的光吸收和热局域效应也逐步引起了光子学、资料科学、动力科学等多学科研讨者的广泛爱好。等离激元光热效应及其热使用成为等离激元光子学范畴新式的研讨分支。

金属等离子体微纳结构对有机光电器材光场调控的研讨

毕宴钢,易方顺,冯晶

集成光电子学国家要点试验室吉林大学试验区

[摘要]以有机半导体资料为根底的有机光电器材,具有功耗低、成本低、工艺简略、可大面积制作、有机分子的结构和功用可取舍、资料无毒等优势,在功用和使用上可以与无机半导体光电器材构成互补,然后在市场上占有不行代替的方位。有机薄膜本身因具有优异的柔性,及能制备在轻浮的柔性衬底上,可以满意现代电子产品的开展需求,能使用于可折叠弯曲的柔性便携式电子产品中。现在有机光电器材现已在显现、照明、太阳能电池、传感、生物医学等多个范畴展现出使用潜力。

局域外表等离激元纳米光学传感器的原理与开展

徐娅,边捷,张伟华

南京大学现代工程与使用科学学院

[摘要]杂乱样品中各类痕量成分的快速定量丈量一向是科学家们的愿望,在生命、健康、资料、动力等范畴中具有宽广的使用,但其在原理、技能与操作层面也给研讨者带来了史无前例的应战。当面对小量且具有杂乱结构的微纳资料/结构样品(比如单个细胞、微量血样、杂乱的多聚物混合等)时,因为样品量与标准的约束,传统的根据别离、富集、检测、剖析的办法系统不再适用。为处理上述问题,在曩昔几十年间人们开展了各类新式的超活络的检测办法,将极小量分子的信息转化为可丈量的力学、电学或光学信号,而局域外表等离激元生化传感器便是其间重要的一个办法。

几许相位电磁超外表:从原理到使用

胡中,徐涛,汤蓉,郭会杰,肖诗逸

上海大学特种光纤与光接入网要点试验室

[摘要]自在调控电磁波(光)一向是人类的愿望和寻求,这不只具有重要的科学含义,而且在信息、国防、动力等范畴有着广泛的使用。但是,天然资料有限的原子品种和晶格摆放办法,导致电磁呼应参数(如电呼应参数——介电常数ε,磁呼应参数——磁导率μ)取值掩盖规模非常有限,这极大约束了天然资料对电磁波(光)的调控才能。近年来,人们提出电磁超资料,这是一种由亚波长微结构按特定摆放办法组合而成的人工资料。与天然资料最大的不同是,超资料的电磁呼应可以依照工程的需求进行规划,由此完成了天然资料所不能完成的一系列电磁波调控现象,包含负折射,完美棱镜超成像,改换光学,完美吸收,极化偏转等。

外表等离子激元纳米激光器总述

杨琳,段智勇,马刘红,李梦珂

郑州大学物理工程学院

[摘要]根据外表等离子激元的纳米激光器可以将光源的标准下降几个数量级,结合外表等离子体波可将波长约束在纳米标准内传输,打破衍射极限,然后完成与电子学器材的标准相匹配,终究完成整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了外表等离子激元的根本原理,对近年来的外表等离子激元纳米激光器的研讨作业进行了总结,具体介绍了各种结构及其优势,指出了该类激光器在开发进程中面对的应战和往后的作业要点,展望了纳米激光器广泛的使用远景。

接连激光诱导金纳米棒荧光增强效应

张文学,张晓荣,秦成兵,肖连团

山西大学激光光谱研讨所量子光学与光量子器材国家要点试验室

[摘要]为了处理光学检测中金纳米棒荧光发射强度弱小的问题,经过接连激光照耀,加强了金纳米棒局域外表等离子体共振效应,完成了对聚会金纳米棒荧光强度近两个量级的进步,一起具有实时调理金纳米颗粒荧光强度的优势。本文研讨了荧光增强效应随激光波长、照耀功率密度、金纳米棒长径比与比外表积的改动联系。成果表明,比外表积小的金纳米棒荧光增强效果更好;关于同一种金纳米棒,经过优化照耀功率密度,挑选与金纳米棒横向等离子体峰共振的波长进行照耀可以获得更好的增强效果。

根据Au/Ce∶YIG/TiN结构的磁光外表等离激元共振及折射率传感器研讨

王会丽,秦俊,康同同,张燕,聂立霞,艾万森,李艳芳,毕磊

电子科技大学国家电磁辐射操控资料工程技能研讨中心

[摘要]提出了一种根据Au/Ce∶YIG/TiN结构的磁光外表等离激元共振器材(MOSPR)。经过构建Au周期纳米盘、Ce∶YIG薄膜和TiN薄膜三层结构,完成Au纳米盘局域外表等离激元共振(LSPR)和TiN/Ce∶YIG界面传达型外表等离激元共振耦合,明显下降了LSPR的散射损耗,并完成了磁光效应的明显增强。MOSPR的横向磁光克尔效应(TMOKE)信号的绝对值达0.21。使用这一器材制备传感器,凭借磁光氧化物的强磁光效应,可以明显进步LSPR传感器的质量因数(FoM)。根据TMOKE谱进行传感,器材的FoM可达2192.4586 RIU -1。该研讨为高活络度、高FoM LSPR器材的制备供给了一种新思路。

超分辩拉曼散射成像的偏振调控理论剖析

刘钊杰,肖康,李文文,田立君,王中阳

上海大学理学院物理系

[摘要]使用外表增强拉曼散射(SERS)技能可增强金属外表某些方位(热门)的电场强度。选定Ag纳米颗粒二聚体这一金属纳米结构系统,研讨其作为超分辩SERS成像基底的可行性。选用时域有限差分(FDTD)法,核算剖析Ag纳米颗粒二聚体在不同波长和偏振方向的激起光效果下的电场散布特色。成果表明:Ag二聚体的电场散布具有高度局域化的特色,而且Ag二聚体中热门的电场强度可由激起光的偏振方向调控,这使其可以作为完成超分辩SERS成像的基底。

单介质加载双层石墨烯对称外表等离激元波导的理论剖析

李勇,张惠芳,吴琼,何英,王燕

上海大学理学院

[摘要]根据介质加载石墨烯等离激元波导(DLGPW),提出并研讨了单介质加载双层石墨烯对称外表等离激元波导(DLTGSSPW)。在DLTGSSPW中,双层石墨烯中的外表等离激元(SPP)相互效果,构成耦合的SPP模,即对称和反对称SPP模。选用有用折射率法和有限元法进行研讨,发现耦合的SPP模的有用折射率、传达损耗、形式数目及电场激烈地依靠于DLTGSSPW的参数,例如入射波长、单介质条的高度和宽度等。耦合的SPP模与三层介质平板波导中的导模很相似。别的,当单介质条的高度足够大时,在每层石墨烯中,耦合的对称和反对称SPP模退化成非耦合SPP模,DLTGSSPW可被看作两个独立的DLGPW。DLTGSSPW这种性质使其有望在集成光学器材中有潜在的使用价值。

根据金属纳米结构非局域与标准效应的外表等离激元特性研讨

黄恺健,李世雄,白忠臣,张正平,秦水介

贵州大学大数据与信息工程学院

[摘要]结合流体动力学介电模型以及标准依靠介电模型,提出了一种可用于描绘金属纳米结构中外表等离激元非局域和标准效应的介电理论模型。使用不同介质模型对半径为1~100 nm的银纳米球进行电子能量丢失特性和光学特性的仿真比照,成果表明该理论模型可在较大的能量规模(1~5 eV)和标准规模(2~200 nm)内,兼容有用地反映出局域、非局域、标准、乃至是类量子标准等效应对金属纳米结构外表等离激元特性的影响效果。一起,研讨成果还有助于了解外表等离激元在纳米标准上的共振形式、能量散布机理和动态演化机制,为等离激元器材的开发规划供给了参阅。

等离激元光电勘探器的光吸收特性研讨

柯熙政,周茹

西安理工大学自动化与信息工程学院

[摘要]根据有限元法树立三维(3D)数学模型,核算硅薄膜光电勘探器外表周期性散布的Ag纳米颗粒阵列对光电勘探器光吸收功用的影响。成果表明关于球状Ag纳米颗粒阵列,阵列周期P与粒子直径d的比值是影响硅薄膜光吸收功率的关键因素。当硅衬底顶部粒子排布较密(P与d的比值较小)时,与裸硅光电勘探器比较,等离激元光电勘探器在不同入射视点下的光吸收功率都有不同程度的进步,其间在波长为700 nm、入射视点规模为0°~65°时,光吸收功率从5%进步到65%,整个波段规模内光电转化功率从29%增强为34%。

亚波长金属梯形槽阵列光陷效应研讨

曹英浩,张文雅,孙晓东,吴峰

天津理工大学理学院

[摘要]选用严厉耦合波剖析办法系统研讨了平面波照明的亚波长梯形金属槽阵列的光学反常吸收现象。模仿了结构参数的改动对亚波长金属梯形槽阵列吸收功率的影响,并引进Fabry-Perot半解析模型对核算成果进行剖析。研讨成果表明,亚波长金属梯形槽阵列的吸收增强现象首要来自槽内形式的Fabry-Perot共振效应及阵列结构间外表等离激元的能量传导耦合效果。当槽深满意Fabry-Perot共振条件,且阵列周期满意外表等离激元激起条件时,金属梯形槽吸收率峰值挨近1。与矩形槽比较,挑选恰当的梯形槽斜边倾角可以在确保吸收率的一起,放宽槽深的加工容忍度,有助于下降器材加工难度,进步器材规划可行性。

根据外表等离子激元的拱型谐振腔滤波器规划

吴梦,梁西银,颜昌林,祁云平

西北师范大学物理与电子工程学院

[摘要]根据鸿沟耦合的办法结构一种根据金属-介质-金属(MIM)纳米谐振腔波导组成的滤波器,该结构由1个拱型谐振腔和1个矩阵波导管组成。经过有限元法(FEM)仿真剖析拱型腔波导MIM结构滤波器的传输特性曲线、谐振波长和磁场散布图。研讨成果表明该拱型腔滤波器具有滑润的传输曲线、平整的通带、较宽的带宽,且通带透射率高达0.976,阻带透射率低至0.001,这表明此结构滤波器具有杰出的滤波特性。经过对该拱型结构滤波器进行参数优化,可以在光通讯波段的三个通讯窗口上完成通道挑选的滤波功用,该结构滤波器在高密度光集成电路和纳米光学中具有宽广的使用远景。

外表等离子体共振耦合导致的太赫兹滤波器多带通效应

陈燕青,王杰,陈星晨,钟舜聪,王向峰

福州大学机械工程及自动化学院

[摘要]在十字型太赫兹带通滤波器的时域有限差分法仿真中,跟着铝箔厚度增大,主峰变窄,且高频处呈现多个反常透射峰。使用飞秒激光微加工技能制备出铝箔厚度为150 μm的太赫兹滤波器,并使用时域太赫兹光谱系统进行功用测验。成果表明:试验成果与时域有限差分法模仿成果根本符合;反常透射峰源于十字结构狭缝侧壁上的外表等离子体波的法布里-珀罗共振耦合,这种耦合效应可用于操控外表等离子体波,制作新式太赫兹器材。

太赫兹波入射到高温等离子体的特性研讨

李珊珊,摆玉龙,马小艳,孙洪阳

西北师范大学物理与电子工程学院

[摘要]针对高温等离子体对太赫兹波的传输特性,选用单层介质矩阵传输模型的求解办法,研讨太赫兹在等离子体电子密度、厚度、外加磁场强度和温度影响下的改动规则。数值剖析成果发现,不同条件下高温等离子体对太赫兹波发作的传输特性不同,等离子体电子密度和厚度越大,反射率越大,透射率越小;外加磁场可以改进衰减状况,因而等离子体电子密度越小,厚底越小,温度越高,对穿过电磁波的影响越小,经过调理外加磁场的巨细,避开衰减峰值,可以缓解通讯“黑障”现象。

根据贵金属劈裂纳米环阵列的多重外表晶格共振

张春琳,刘杰,侯浩杰,李孟春

山西省高速公路信息监控中心

[摘要]根据贵金属纳米颗粒阵列的多重外表晶格共振可以在多个波段一起按捺系统的辐射损耗,进步共振质量因子,增大局域场强。提出一种选用贵金属劈裂纳米环阵列发作多重外表晶格共振的办法。因为劈裂纳米环磁偶极共振的等效偶极矩垂直于纸面,可以一起向平面的x和y方向散射电磁波,这使得磁偶极共振与两个正交方向上的瑞利反常发作耦合成为可能。核算成果表明,在劈裂纳米环构成的阵列结构中,磁偶极共振可以与两个周期方向上瑞利反常构成耦合,然后发作外表晶格共振。当阵列周期不一起,可以一起激起两个外表晶格共振;使用劈裂纳米环的电四极共振也可得到相似的光学呼应。这些特性使得贵金属劈裂纳米环阵列在微纳光子器材的规划方面将具有重要的使用价值。

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