设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构, 利用有限元法对该结构进行了数值仿真。 COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。 在COMSOL Multiphysics软件平台上, 构建该结构的三维模型, 使用模态分析和频域分析模块, 研究了其电场分布、 归一化模式面积、 传输长度、 增益阈值、 品质因数。 结果表明: 在工作波长为370 nm时, 所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平, 同时保持大的传输长度。 提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比, 波导特性更好。 将该结构应用于纳米激光器, 由基模和纵模反映出, 激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。 在波导特性良好的情况下, 该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。 综合考虑, 选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm, 此时有效模式面积为0.005 1λ２, 传输长度为1 668 nm, 增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。 最后, 在最优尺寸下, 通过仿真得到了该结构的发射光谱, 其发射波长为360 nm, 输出电能比输入电能增强了3 100倍。 该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持, 在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构, 基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1550 nm时, 通过优化参数, 其有效模场面积达到0.00193 λ2, 传输长度为37.7 μm, 质量因数为4853, 该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比, 具有更大的质量因数, 更强的光场限制能力, 波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算，并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明，通过对参数进行调整，激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下，增益阈值可达0.47 μm-1，传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输，在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景，可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.

为了提高GaN基LED的发光效率, 设计了一种新型LED模型, 该模型主要包括Ag光栅, 氧化铟锡过渡层和P-GaN光栅。首先阐述了利用该结构激发表面等离子体从而改善LED发光特性的原理, 讨论了该模型的加工工艺与制作过程。基于COMSOL软件, 利用有限元法对本文提出的LED模型进行了仿真分析, 得出该模型在不同结构参数下, 归一化辐射功率与归一化损耗功率随波长的变化规律以及电场分布情况。仿真结果表明, 在ITO过渡层厚度为55 nm, 周期为270 nm, 占空比为0.5时, 所设计的GaN基LED模型的发光强度较普通LED提高近30倍, 这一结果为研制高性能GaN基LED提供了可靠基础。

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰, 即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移, 而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移, 两个共振峰相互参照, 降低了入射角偏移对测量结果的影响, 提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下, 仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°, 且金的体积分数f为0.65, 薄膜厚度d为40 nm和45 nm, 或金的体积分数f为0.85, 薄膜厚度d为45 nm和50 nm时, 共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化, 只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化, 达到自参照传感器的理想状态.

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理, 由Ge20Ga5Sb10S65-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。 当生物分子之间发生相互作用时, 引起生物分子层折射率的变化, 从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。 在此基础上, 根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱, 重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比, 在灵敏度、 分辨率、 动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。 另外, 通过对比研究, 深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。 最后, 利用近红外光作为提出的传感器的入射光, 分析了在近红外区域传感器性能的改善。 研究结果表明: 单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳; 反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%, 使传感器的输出信号具有较大的信噪比; 在可见光区域, 当入射光波长为632.8 nm时, 提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍, 是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍, 提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍; 利用Ge20Ga5Sb10S65棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域, 当入射光为1 000 nm时, 传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。 该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。

介绍了一套可见光音频传输系统, 该系统包含发射和接收两个模块。在发射模块端, 用手机播放音乐, 通过双音频线插头来输入音频信号;在接收模块端, 利用C12702-11 APD模块把接收到的光信号转换成电信号, 经过相关放大滤波等处理, 使音响就可以播放出清晰的音乐。采用透镜聚光和平面镜反光可实现5 m以上的通信距离。

提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。 该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构, 横向上采用U型微环结构, 以聚酰亚胺(polyimide, PI)为感湿材料。 根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数, 外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化, 从而多层波导结构的有效折射率发生改变, 导致传感器的输出光谱发生漂移。 重点分析讨论了多层波导结构的传输特性以及感湿部位折射率的变化对输出光谱的影响。 根据计算和仿真得出: 当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时, 传感器的输出光谱水平漂移量较大, 自由光谱范围(FSR)加倍, 达到128 nm, 当外界环境相对湿度从10%RH变化到100%RH时, 漂移量Δλm在0.005～0.038 μm之间变化, 相比于其他湿度传感器, 灵敏度提高了10～50倍, 高达0.0005 μm/%RH, 并且传输稳定。 结果表明: 设计的表面等离子微环传感器, 灵敏度较好, 性能稳定, 可以应用于湿度测量, 并且实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾大范围的滤波选频, 为微型光学器件的制备提供了理论基础。

采用Kretschmann结构激发表面等离子体,利用多孔陶瓷材料SiO2作感湿材料,当外界环境的相对湿度变化时,引起感湿层SiO2的折射率发生相应变化,导致表面等离子体共振角发生偏移.采用有限元法对传感系统在不同感湿层折射率下的反射谱进行了模拟分析,并根据反射谱的共振半峰宽和共振峰深度对金膜的厚度进行优化.研究结果表明:金膜的最佳厚度为55 nm,反射谱的共振角偏移量与感湿层折射率变化呈线性关系,湿度检测的分辨率高达0.37%RΗ,灵敏度达到0.03°/% RH .该研究对基于表面等离子体共振原理的湿度传感器的研制与应用具有一定意义.

通过将金属金嵌入到上下两层波导结构中, 与ZnO随机粒子相结合, 设计出一种新型结构的随机激光器。采用时域有限差分法(FDTD), 数值模拟了该随机激光器系统的光场分布和模式频谱图, 并针对金粒子和金薄膜两种情况进行对比分析。结果显示, 采用金粒子作夹层时, 出射激光模式数量减少, 单色性较好; 采用金薄膜作夹层时, 出射激光光强较大。