在玻璃基底上镀35nm厚的ITO薄膜, 通过椭偏仪测量ITO薄膜的线性介电常数。由于ITO具有高掺杂浓度, 因此其介电常数可以用Drude模型来进行量化计算, 得到其介电常数近零(ENZ)波长约为λ=1100nm。借助双温模型计算电子温度和晶格温度随时间的变化, 根据电子温度的升高计算等离子体频率的变化, 将其带入Drude模型中, 可以得到一个新的介电常数, 最后可以通过计算折射率的变化, 从而求出非线性折射率n2。计算结果表明, 在ENZ波长入射时, 可以得到最大非线性折射率n2=4.66×10-15m2/W。因此, 实验中选取的材料可在低功率光照下得到显著的折射率变化, 可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计。

近年来, 氧化铟锡(ITO)薄膜因其可实现介电常数近零(Epsilon-Near-Zero, ENZ)且易于调制的特性, 已经成为非线性光学和微纳光学等领域的研究热点。文章先使用射频磁控溅射法在硅基底上制备ITO薄膜, 再通过椭圆偏振光谱仪测试并拟合其光学参数, 探究了本底真空度、溅射功率、溅射气压、衬底温度和膜厚等因素对ITO薄膜ENZ波长的调节机制。通过优化工艺, 使ITO薄膜最短ENZ波长蓝移至1094.4nm, 突破了以往文献报道的极限。该研究将ITO薄膜的ENZ波长延伸至近红外短波区域, 有望实现微纳光电器件相关领域向短波方向的应用拓展。

本文采用自组装纳米球热压印技术, 在旋涂有聚丙烯酸(PAA)薄膜、聚苯乙烯(PS)薄膜的基底上, 旋涂SiO2纳米球溶液, 通过自组装形成纳米球三维密排结构, 接着进行热熔-沉陷处理, 在PS薄膜形成周期性、六角密堆积纳米碗状阵列, 接着利用PAA的水解特性去除PAA薄膜, 将PS薄膜翻转并移至硅片基底上, 通过氧离子刻蚀, 得到纳米孔阵列掩模, 最后结合电子束蒸发镀Al, 制备出大面积、周期性的Al纳米盘阵列。同时也研究了三层膜结构的均匀性对制备大面积、周期性纳米盘阵列的重要性。基于自组装压印技术制备圆盘阵列的研究比传统纳米制作技术操作更简单、效率高、成本低; 同时在新光学元件的基础研究、太阳能光伏设备方面具有潜在应用。

介电常数近零模式为在纳米尺度上控制光与物质相互作用提供了新途径。利用衰减全反射原理分别激发Al2O3衬底的声子极化激元和GaN薄膜的介电常数近零模式，并且通过调整薄层厚度和优化空气层的间隙来实现双层结构模式的耦合杂化。使用传输矩阵法和有限时域差分法数值模拟计算了混合模式的电场分布和色散，结果表明两种模式由于满足强耦合条件而发生耦合劈裂。在有限时域差分法模拟的光谱中，色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合，从电场图中可以观察到混合模式。混合模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点，可以作为未来红外和太赫兹纳米光子集成和通信设备的基础。

纳米结构色是一种可见光与纳米结构相互作用产生的颜色。为了分析不同纳米共振单元阵列对可见光的调控特性, 本文总结了纳米光栅、金属-绝缘体-金属(MIM)、亚波长孔洞阵列、纳米棒阵列和纳米盘-孔洞阵列这几种等离激元结构的显色机理和滤波效果, 同时介绍了纯硅及非纯硅两大类Mie共振纳米结构色。除此以外, 文章还讨论了动态调控结构色的方法和大面积制备纳米结构的方法, 使基于等离激元和Mie共振的结构色能应用于实际。纳米结构有优良的显色效果并能整合到光电器件中, 使其在超高分辨显示、图像信息存储、图像信息加密等领域具备巨大应用潜力。

近年来, 具有自然界中天然媒质所不具备的特殊性质的电磁超材料在很多领域引起了广泛关注。零折射率超材料(ZRIM)是一种相对介电常数和磁导率为零的特征材料, 在光学领域具有很多独特的特征, 主要表现在波长拉伸、相位一致以及隧道效应等方面。介绍了几种典型的ZRIM结构以及ZRIM结构中实现的性质, 包括无限大波长、均匀场分布等。讨论了ZRIM结构的实现在物理光学中的重要应用, 比如定向发射、发射增强、边界态分析以及光的捕获。基于零折射率的性质以及特征的研究, 为新器件开发、新光学元件的基础研究提供了相应的参考和指导。

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。

采用倾斜底涂法将单分散的聚苯乙烯胶体微球自组装生长成为胶体晶体, 并用扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计对其形貌和光学特性进行测量。结果表明, 聚苯乙烯微球自组装为面心立方密堆积结构, 胶体晶体的光子带隙位于可见光波段。分别对不同胶体颗粒的粒径、悬浮液的浓度、基片倾斜角度及环境温度等制备条件下生成的聚苯乙烯光子晶体样品逐一分类对比, 分析了影响光子带隙宽度和深度的因素。

利用谐振腔模型，研究了单负超材料构造的多层结构中的表面态的物理机制。发现当满足谐振条件时，在多层结构中将产生表面态，该谐振条件取决于谐振腔内的相位变化。基于上述理论，以单负超材料构造的6层结构为例，分析了该结构的表面态的产生条件和分布情况。该研究为设计含奇特电磁局域特性和隧穿特性的超材料设备提供了有效的途径。

利用传输矩阵理论，研究了含负折射率材料一维光子晶体异质结构的吸收特性。发现光子晶体异质结构某些带隙内出现单向吸收峰。结果表明异质结构带隙内单向吸收峰的频率范围由构成异质结构的两个光子晶体各自的能带结构决定。另外发现异质结构在带隙单向吸收带内的吸收普遍高于其在通带内的吸收。该研究结果可用于制造单向吸收光学器件和提高光子晶体对光波的吸收。