设计了一种近红外与太赫兹双波段局域场增强结构，由微米级矩形槽结构与纳米级双圆盘结构构成。利用微米级矩形槽结构实现太赫兹共振增强，同时将纳米级双圆盘结构与其相结合实现在近红外波段的光学捕获，并采用时域有限差分法对结构进行仿真分析。研究结果表明：双波段局域场增强结构在0.63 THz处有谐振峰同时具有强的局域场增强，最大电场增强1800；在近红外波段入射光强为1 mW/μm²时，势阱深度达到30kBT，可以实现粒子的稳定捕获。该研究结果对生物大分子太赫兹振动谱探测具有一定的参考意义。

发展高性能的光电导天线是推动太赫兹科学及其相关技术不断进步的重要手段。系统地介绍了基于金属和介质超材料的高效光电导天线的研究工作,梳理了此类天线的发展历程并展望了其应用前景。关于超材料天线的研究主要是基于两类方法展开的,第一类是利用纳米级金属/介质超材料操控飞秒泵浦激光与光电导天线衬底间的相互作用,第二类方法则是在原有天线结构的基础上设计微米级金属/介质超材料对太赫兹波进行直接操控。这些基于超材料的新方法极大地促进了光电导天线的发展及其在交叉领域的应用。

将银膜和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及高增益的钙钛矿CsPbBr3集成一个平面光波导, 通过对体系的物理机理和光学特性研究,探索等离子体结构新应用的可能。实验结果表明, 随着体系结构的改变, 特别是对PMMA厚度的调制, 发现局域在银膜和钙钛矿CsPbBr3界面电磁场增强, 使得CsPbBr3激子的发光和辐射速率(Γ=τ-1)增强。我们用双指数衰减和描述系综衰减的延展模型分别进行了讨论, 发现二者有较大的差别。采用双指数衰减拟合求寿命没考虑系综的限域效应和银/CsPbBr3界面上传播表面等离极化激元(SPPs)引起的局域场增强, 所以在自由空间拟合得到的平均荧光寿命τavg在30~25 ns范围, 与先前报道结果接近。而用系综衰减的延展模型得到τavg在12~9 ns范围, 荧光寿命显著变小即辐射速率增强。上述研究对开发表面等离激元发光显示器件和光物理基础研究提供了依据。

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。

目前, 利用氧化锌(ZnO)微纳米线结构形成具有自然谐振腔的紫外激光器件引起国内外广泛关注。针对ZnO本征缺陷导致器件发光及稳定性不足等问题, 开展金属局域等离子激元局域场发光增强方面的研究, 对ZnO基紫外激光器件的应用具有十分重要的意义。本文通过理论仿真构建氧化锌微米线结构模型, 对微腔光学损耗及Fabry-Perot(F-P)谐振腔模式演化进行了理论分析。得到ZnO微腔直径变化与F-P谐振模式演化、光学损耗和光强分布的关系。在此基础上通过金属Ag纳米颗粒对ZnO微米线6个表面进行修饰, 发现金属局域表面等离子激元共振耦合效应对微腔周围的损耗光有明显的抑制作用, 并且在金属与微腔的交叉区通过共振耦合效应实现局域场增强。模拟结果表明, 在损耗较大的微腔表面修饰Ag纳米颗粒以后, 光场限域能力提高672%, 而在金属颗粒之间沿X轴方向产生二次耦合现象, 其电场强度更有2倍的增强效果。

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应, 并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布, 分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响, 模拟半径为50 nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟, 分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式, 即密集颗粒之间的近场耦合形成的“hotspots”.此外, 研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响, 发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560~680 nm波段, 而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后, 金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510~550 nm波段, 形成与532 nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后, 实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.

金属纳米颗粒的等离激元共振引起的局域场增强效应, 对显微成像、光谱学、半导体器件、非线性光学等诸多领域都具有极大的应用潜力。尤其是在光学纳米材料领域, 通过亚波长金属纳米颗粒与电介质的组合引起局域场增强效应, 提高了纳米材料的光学性能, 并促进纳米材料在光学领域的应用。本文主要综述几种常见纳米结构所产生的局域场增强效应及其应用, 详细介绍并总结了金属纳米材料的不同结构参数与局域场增强的关系及局域场增强在非线性光学、光谱学、半导体器件等领域的应用。未来, 随着对金属纳米材料的研究愈发深入, 局域场增强的应用将更加广泛, 这将对诸多领域的发展产生重要影响。

基于纳米尺寸材料的微操作提出了一种局域增强隐失场理论，其中的隐失场产生于光纤探针与原子力显微镜(AFM)探针耦合作用。根据近场光学原理，采用傅里叶变换方法推导出隐失场产生的机理，并讨论影响其强弱的因素。为了得到足够大的捕获纳米级微粒的力，通过采用复合光纤探针与AFM 探针，根据金属表面等离子体共振原理，使传播波和隐失波会聚于AFM 锥形探针针尖处形成增强的电磁波。对纳米级物体的捕获、移动等操作表明提出的理论可以用于微观科学的前沿领域。

采用熔融冷却法制备了Er3+/Yb3+共掺TeO2-WO3-La2O3-AgNO3玻璃,通过热处理获得了透明含银纳米晶的碲酸盐系统玻璃.测试了不同热处理条件后所得玻璃样品的透过率及受激发射光谱,并使用高分辨透射电镜表征玻璃中的银纳米晶,分析了荧光增强机理.经过390 ℃热处理15 min后,玻璃中析出了银纳米晶.玻璃在银纳米晶引入前后的上转换绿、红光均为双光子吸收.银纳米晶产生的局域电场增强使得含银纳米晶玻璃的上转换发光和近红外发光都有增强,其中上转换绿光强度是不掺AgNO3玻璃的5倍.

基于表面等离激元共振(SPR)的原理, 设计了一种具有矩形凹槽周期阵列微结构的金属增强基底。利用有限元方法对基底表面附近电场的分布进行了理论模拟分析, 结果表明在SPR共振情况下, 其凹槽微结构坑口处可得到强局域场, 局域电场强度Eｍａｘ／Ｅ０可达20。通过改变结构的周期、凹槽长度l、宽度w以及环境介质, SPR共振峰发生规律性的移动, 波长覆盖范围为500～1 000 nm。入射光沿x方向偏振的情况下, 随着结构x方向周期Px的增加, SPR共振峰明显红移。当入射光波长与Px相当时, 观察到凹槽内局域电场突然减小的现象。这是由于满足了波矢匹配条件, 传播型SPP被激发导致的。改变凹槽长度l, 发现共振波长随l的增加红移, 近似呈线性关系。环境介质折射率的增加也会引起共振峰的红移。而凹槽宽度w的增加将导致其蓝移。这种规律性的移动为实现共振波长的调控提供了途径。受Jain研究报道的启发, 矩形凹槽结构可以等效为两对偶极耦合模型的组合, 从而解释SPR共振峰随结构参数变化而发生的移动。