Author Affiliations
Abstract
1 School of Optoelectronic Engineering and Instrumentation Science, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
2 Center for Terahertz Waves and College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
Metamaterials composed of metallic antennae arrays are used as they possess extraordinary optical transmission (EOT) in the terahertz (THz) region, whereby a giant forward light propagation can be created using constructive interference of tunneling surface plasmonic waves. However, numerous applications of THz meta-devices demand an active manipulation of the THz beam in free space. Although some studies have been carried out to control the EOT for the THz region, few of these are based upon electrical modulation of the EOT phenomenon, and novel strategies are required for actively and dynamically reconfigurable EOT meta-devices. In this work, we experimentally present that the EOT resonance can be coupled to optically reconfigurable chalcogenide metamaterials which offers a reversible all-optical control of the THz light. A modulation efficiency of 88% in transmission at 0.85 THz is experimentally observed using the EOT metamaterials, which is composed of a gold (Au) circular aperture array sitting on a non-volatile chalcogenide phase change material (Ge2Sb2Te5) film. This comes up with a robust and ultrafast reconfigurable EOT over 20 times of switching, excited by a nanosecond pulsed laser. The measured data have a good agreement with finite-element-method numerical simulation. This work promises THz modulators with significant on/off ratios and fast speeds.Metamaterials composed of metallic antennae arrays are used as they possess extraordinary optical transmission (EOT) in the terahertz (THz) region, whereby a giant forward light propagation can be created using constructive interference of tunneling surface plasmonic waves. However, numerous applications of THz meta-devices demand an active manipulation of the THz beam in free space. Although some studies have been carried out to control the EOT for the THz region, few of these are based upon electrical modulation of the EOT phenomenon, and novel strategies are required for actively and dynamically reconfigurable EOT meta-devices. In this work, we experimentally present that the EOT resonance can be coupled to optically reconfigurable chalcogenide metamaterials which offers a reversible all-optical control of the THz light. A modulation efficiency of 88% in transmission at 0.85 THz is experimentally observed using the EOT metamaterials, which is composed of a gold (Au) circular aperture array sitting on a non-volatile chalcogenide phase change material (Ge2Sb2Te5) film. This comes up with a robust and ultrafast reconfigurable EOT over 20 times of switching, excited by a nanosecond pulsed laser. The measured data have a good agreement with finite-element-method numerical simulation. This work promises THz modulators with significant on/off ratios and fast speeds.
metamaterials extraordinary optical transmission surface plasmon resonance reconfigurable phase change materials Opto-Electronic Science
2022, 1(1): 210010
华东交通大学信息工程学院, 江西 南昌 330013
针对传统纳米天线结构存在频段窄、透射率低的问题, 设计了十字缝隙分形纳米天线结构。采用时域有限差分法计算了十字缝隙分形纳米天线结构的异常透射特性, 分析了均匀十字缝隙结构与其之间的透射特性差异, 并讨论了物理参数对十字缝隙分形纳米天线异常透射特性的影响及分形尺寸与非分形尺寸下的纳米天线透射谱变化关系。结果表明, 较于均匀十字缝隙结构, 十字缝隙分形结构实现了光的异常透射及全 2π透射光束相位调控, 尺寸更小型化, 半波宽(FWHM)更宽, 透射率更高, 最高可达 99.51%; 通过调整物理参数, 透射谱呈现出红移或蓝移的特性, 实现了透射谱的可控性; 同时, 当 h=50 nm时, FWHM约为 356 nm, 透射率仍高达 95.66%, 普遍高于传统结构; 并且在大入射角度(70°)下, 峰值透射率仍旧大于 74%。总之, 较于其他纳米天线结构, 十字缝隙分形纳米天线具有宽频、可控可调、结构更微型化等特点, 且实现了光的异常透射。
纳米天线设计 十字缝隙分形纳米天线 表面等离激元共振 时域有限差分法 光学异常透射 nano-antenna design cross-slots fractal nano-antenna surface plasmon resonance finite-difference time-domain method extraordinary optical transmission
1 黑龙江大学 电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050
周期性亚波长孔阵列的异常透射性质在亚波长光电器件设计中具有重要意义。两层或更多膜层上周期孔阵列结构, 由于层之间电磁场的相互作用可以导致新的光学性质。利用时域有限差分方法理论研究了带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性。结果表明: 该结构在近红外波段的透射谱存在多个透射峰, 并且透射峰的数量、位置和强度可以通过改变结构的几何参数和介质膜的材料进行调控。详细分析了介质膜的厚度和折射率、孔阵列的周期、矩形孔的边长等因素对多层膜矩形孔阵列透射谱的影响, 为利用多个表面等离子共振设计多波长控制器件提供了一定的参考。
多层膜 矩形孔阵列 异常透射 表面等离极化激元 时域有限差分法 multilayer films rectangular hole arrays extraordinary optical transmission surface plasmon polaritions finite difference time domain method 红外与激光工程
2019, 48(7): 0721001
1 西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071
2 西安电子科技大学 信息感知技术协同创新中心, 陕西 西安 710071
3 中国电子科技集团公司 第三十八研究所, 安徽 合肥 230088
4 安徽大学 信号与信息处理教育部重点实验室, 安徽 合肥 230039
5 西安电子科技大学 技术物理学院, 陕西 西安 710071
增益媒质因其优良的放大特性和广阔的应用前景吸引了国内外学者的广泛关注, 然而, 激发增益媒质补偿欧姆损耗需要较强的外部能量, 极大地限制了增益媒质的发展前景。本文使用辅助位微分方程的时域有限差分方法研究了麦克斯韦方程与半经典的电子速率方程相耦合的自洽仿真过程, 并基于四能级原子系统描述的增益媒质和异常光传输现象间的耦合机制, 提出了一种新颖的含亚波长周期裂缝的增益/金属/增益纳米阵列结构。研究结果表明, 本文提出的纳米结构可以使用较低外部能量实现完全补偿欧姆损耗的目的。该结果对深入了解纳米结构和增益媒质之间的相互作用有着重要的意义。
增益媒质 时域有限差分方法 异常光学传输 gain material finite-difference time-domain(FDTD) method extraordinary optical transmission
南京师范大学物理科学与技术学院, 江苏省光电技术重点实验室, 江苏 南京 210023
提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律, 发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。
传感器 周期性阵列结构 局部表面等离子体共振 表面等离激元 异常透射现象
1 桂林电子科技大学广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西 桂林 541004
2 广西信息科技实验中心, 广西 桂林 541004
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
提出了一种由左右、上下对称的一大一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用,以获得较好的强透射现象;同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用有限时域差分法研究了该孔阵列结构中大小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对强透射现象的影响。研究发现,当大圆弧半径为95 nm、小圆弧半径为70 nm、两圆弧的圆心距为100 nm、周期为425 nm时,该结构具有较好的强透射现象,其灵敏度为279 nm/RIU,为下一代高性能微纳米等离子体传感器的设计提供了理论参考。
表面光学 折射率传感特性 有限时域差分法 金属圆弧孔阵列 强透射 法布里-珀罗腔 表面等离激元
1 桂林电子科技大学 1. 广西精密导航技术与应用重点实验室
2 2. 广西信息科技实验中心
3 桂林电子科技大学 3. 计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
提出了一种H型金属孔阵列结构, 利用该结构形成的法布里-珀罗腔加强表面等离激元耦合作用, 以期获得较好的强透射现象。采用有限时域差分法(FDTD)对该结构进行数值仿真, 并详细研究了H型金属孔阵列中水平方向矩形孔和竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽等参数对强透射特性的影响; 同时研究了基于该现象的折射率传感特性。结果表明: 当水平方向矩形孔的长和宽分别为300和120nm、竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽分别为60和10nm时, 强透射现象较好, 并在此基础上获得了389RIU/nm的折射率灵敏度。这些研究结果有望为高性能微纳等离子体传感器的设计提供理论参考。
H型金属孔阵列 强透射现象 法布里-珀罗腔 表面等离子激元 传感特性 H-shaped metal hole arrays extraordinary optical transmission property Fabry-Perot cavity surface plasmon polarizations (SPP) sensing characteristics
哈尔滨工程大学理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
基于光学异常透射现象的光纤传感器, 因其具有高度的近场增强效应和介电环境的高度敏感性等优点, 在化学、 生物医学等领域有广泛的应用前景。 但是由于在光纤端面加工周期纳米结构需要复杂的工艺或者昂贵的微加工仪器, 限制了基于光学异常透射现象的光纤传感器的发展。 针对这一问题, 提出了模板转移法在光纤端面加工金属周期纳米结构, 并搭建实验系统对应用该方法制作的光纤传感器的传感特性及其物理机理进行了研究。 实验结果表明, 模板转移法能够很好地完成在光纤端面加工高质量的周期金属纳米结构。 应用该方法制作的光纤传感器具有很好的传感特性, 传感器的最高灵敏度达到594.45 nm·RIU-1, 品质因数值达到33.12。
光学异常透射 光纤传感器 金属周期纳米结构 模板转移法 Extraordinary optical transmission Optical fiber sensor Periodic metal nanostructures Templates transfer
安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室, 安徽 合肥 230601
通过在双层金属开圆孔阵列并嵌入对称开口谐振环结构, 设计了一种新型金属-介质-金属透射增强结构。 用电磁仿真软件对该结构的透射特性进行模拟,研究了单元结构的几何参数对透射峰的影响。结果表明:增加开 口谐振环可以有效增加透射峰数量,实现了0.2～1.1 THz内的多频超强透射。根据透射峰处金属表面的场分布,透 射峰与磁谐振、局域型表面等离子体、传播型表面等离子体、法布里-珀罗谐振及他们之间的杂化耦合有关。 结果对深入研究超强透射特性及透射机理具有一定的指导意义,也为太赫兹微波器件设计和性能分析提供了重要参考。
薄膜光学 透射增强 太赫兹波 磁谐振 表面等离子体 法布里-珀罗谐振 thin film optics extraordinary optical transmission terahert magnetic resonance surface plasmon Fabry-Perot resonance
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
提出了一种在太赫兹频段可以用来实现超聚焦效应和具有高透射率能力的奇异表面等离子体棱镜结构。这种奇异的棱镜结构是由三个亚波长孔和在金属板两端雕刻有有限个周期性排列的浅槽组成。通过利用表面等离子体激元(SPPs)和超常光学透射(EOT)现象的相关理论,证明了所设计的棱镜结构可以产生一个半高宽(FWHM)约为1/4λ的聚焦点,其透射率是传统的表面等离子体棱镜结构的4.6倍。所设计结构可应用于超分辨成像、光刻、功能性探测等方面。
超聚焦 表面等离子体激元 超分辨 超常光学透射 super-focusing surface plasmon polartions super-resolution extraordinary optical transmission
