1 太原理工大学 物理学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学 光电工程学院，山西 太原 030024
3 兴县经开区铝镁新材料研发有限公司，山西 吕梁 035300
宽谱响应光电探测器在图像传感和光通信等领域应用前景广阔。金属微纳结构通过激发表面等离激元共振效应可高效产生热载流子，将它们与宽带隙半导体构成异质结构，便可利用热载流子开发出低成本宽谱响应光电探测器。研究设计了一种基于Au/TiO2复合纳米结构的热电子光电探测器。其中TiO2层经退火后形成尺度约为百纳米的凹凸结构，Au纳米颗粒层与用作电极的保形Au膜共同组成了激发表面等离激元共振的纳米结构。由于Au/TiO2复合纳米结构的协同作用，该器件在400~900 nm范围内具有宽谱光吸收性能，器件的平均光吸收效率为33.84%。在此基础上，该器件能够探测TiO2本征吸收波段以外的入射光子。例如，在600 nm波长处，器件的响应率为9.67 μA/W，线性动态范围为60 dB，器件的上升/下降响应速度分别为1.6 ms和1.5 ms。此外，利用有限元法进行了仿真计算，通过电场分布图验证了Au/TiO2复合纳米结构中所激发的丰富表面等离激元共振效应是其实现宽谱高效探测的原因所在。
光电探测器 表面等离激元 金属纳米结构 热电子 宽谱 photodetectors surface plasmon resonance metal nanostructure hot-electrons wide spectrum 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220464
基于棱镜耦合的金膜表面塔姆等离激元(Tamm plasmon polarition, TPP)与表面等离极化激元(surface plasmon polariton, SPP)的杂化耦合受到广泛的关注和研究，但这种传统的激发装置由于拥有体积庞大的棱镜等光学元件以及对入射光角度精准控制有严格要求，限制了其集成化发展和实际应用。为了简化TPP和SPP杂化耦合激发方式，本文提出了一种光栅耦合型多层堆叠结构设计。该结构主要包括三部分：顶部纳米厚度的金膜、中间一维布拉格光子晶体以及底部金纳米光栅。在该结构中利用底部纳米光栅的一级透射光同时实现了顶部金膜上下表面SPP和TPP共振激发。两种模式之间的耦合杂化作用极大地减少了模式的共振带宽，从而使TPP-SPP模式的传感品质因数得到了显著的提高。此外，通过改变纳米光栅的周期和组成一维布拉格光子晶体的介质层厚度，SPP和TPP可以在较宽光谱范围内实现耦合杂化。相比于传统棱镜式的TPP和SPP双模式耦合结构，设计的光栅耦合型的多层堆叠结构无需借助棱镜和对入射角精确调控，在正入射光照射下就可实现两种模式的共振耦合，这不仅易于结构的进一步集成和小型化，同时对拓宽表面等离激元传感器的实际应用具有重要的意义。
表面等离激元 杂化模式 金属纳米结构 小型化 生化传感 surface plasmon resonance hybrid mode metal nanostructure miniaturization biochemical sensing
1 衡水学院物理与电子信息系，河北 衡水 053000
2 衡水学院应用化学系，河北 衡水 053000
时域有限差分（FDTD）方法在计算金属纳米结构的非局域特性时，往往需要更小的空间离散步长，当模型尺寸较大时会给计算带来困难。而描述金属非局域介电特性的流体力学模型由于纵向波矢的引入，给传输矩阵法（TMM）等半解析方法的运算造成不便。因此，提出了一种结合FDTD与TMM求解纳米金属非局域薄膜吸收率的方法。采用FDTD方法获得金属的反射系数和透射系数，并反演得到非局域金属的等效介电常数。将等效介电常数及模型参数代入TMM中，计算出完整结构的电磁特性。结果表明，该方法能很好地解决FDTD离散网格过小造成的内存不足和TMM中纵向波矢带来的计算复杂问题，且能快速完成分层纳米结构反射率、透射率和吸收率的计算。
薄膜 等效介电常数 非局域 金属纳米结构 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2131001
浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
光声转换是指利用光声效应产生声音的过程。脉冲光可以激发光声材料产生高频、宽带超声信号。金属纳米结构具有局域表面等离子体共振效应,因此具有高光学吸收和可调控性,是一种重要的光声转换材料,广泛应用在生物医学成像等领域。介绍光声转换的主要机制和原理,总结金纳米棒、金纳米圆盘、金纳米阵列等金属纳米材料的光声转换研究及应用进展,并对金属纳米光声材料的未来发展方向进行了展望。
光电子学 光声转换 金属纳米结构 局域表面等离子共振 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 130002
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室与教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
对金属的复介电常数虚部进行了Kawabata-Kubo(K-K)修正,定量描述了表面等离激元产生的光学散射和吸收特性;利用米氏理论和电偶极子理论计算并分析了光入射到单个椭球状金属纳米微粒产生的消光特性;建立了椭球状纳米微粒周期阵列分布的光学偏振结构模型,利用COMSOL软件模拟计算了可见光到近红外波段的偏振光输出特性。以椭球的有效半径替代球半径,将K-K修正应用于金属椭球阵列结构的有限元模拟。修正后的金属纳米椭球阵列的透过率减小,消光光谱带宽增大,这与实验中单个金属颗粒的宽带强吸收特性趋势一致。
测量 金属纳米结构 Kawabata-Kubo修正 米氏理论 偏振特性
西安邮电大学 电子工程学院 光电子技术系, 西安 710121
在外光场激励下, 金属纳米结构衬底表面所形成的集体电子振荡模式可有效调制其局域电磁场分布, 对居于衬底附近的荧光分子的荧光辐射产生调控。其影响因素主要取决于衬底金属表面所形成的电磁振荡模式和电磁场分布性质。归纳了光谱学中表面增强荧光效应研究的关键问题, 指出了周期性有序衬底金属增强荧光及其金属纳米颗粒增强荧光研究的主要研究进展。基于局域电磁场增强机理模型, 讨论了不同形貌衬底金属对荧光分子的荧光调控机理和影响因素。对表面增强荧光效应的研究前景进行了展望。
光谱学 表面增强荧光效应 局域电磁场增强 金属纳米结构 spectroscopy surface enhanced fluorescence local electromagnetic field enhancement metallic nanostructure
1 辽宁工业大学理学院, 辽宁 锦州 121001
2 中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室, 辽宁 大连 116023
为了研究金属纳米结构下高次谐波辐射的过程,通过数值求解薛定谔方程理论研 究了He+在蝴蝶型金属纳米结构下高次谐波辐射的特点。结果表明在蝴蝶型金属纳米结构下,谐波 辐射截止频率随He+空间位置远离纳米结构中心点而增大;当He+沿正(负)向远离纳米结构中心点 时,谐波截止频率主要由激光正(负)向部分产生。由于金属纳米结构的间隙尺寸有限,谐波辐射 在某一特定He+空间位置呈现最大截止频率。在双色场调控下,谐波光谱呈现一个333 eV的 超长平台区,通过叠加该平台区谐波可获得脉宽在25～28 as的超短远紫外脉冲。
非线性光学 高次谐波 阿秒脉冲 金属纳米结构 空间非均匀激光场 nonlinear optics high-order harmonic generation attosecond pulse metal nanostructure spatial inhomogeneous laser field
1 宁波工程学院电信学院, 浙江 宁波 315016
2 浙江大学信电系, 浙江 杭州 310007
3 上海出入境检验检疫局, 上海 200135
金属表面等离子体(surface plasmon)是金属与介质界面处传播的电荷振荡密度波。 当振荡频率与激发光频率相匹配时将产生金属表面等离子体共振, 从而能够在金属结构附近产生强烈的消光和近场增强效应, 该效应在表面等离子共振成像、 表面等离子体波导、 生物传感、 光谱增强等方面有着重要的应用前景。 本文综述了金属结构的表面等离子共振效应在增强荧光光谱方面的研究进展。 论文首先介绍了金属表面等离子体增强荧光的机理以及影响荧光增强效果的因素; 其次, 从用于荧光增强的各类金属纳米结构的角度分别综述了荧光增强研究的最新进展; 最后, 介绍了荧光增强在食品检测、 环境监测、 光学成像、 光电器件、 荧光上转换等领域的最新应用情况。
表面等离子体 金属纳米结构 荧光增强 Surface plasma Mental nano-structure Fluorescence enhancement
1 深圳大学纳米光子学研究中心， 广东 深圳 518060
2 深圳大学光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室， 广东 深圳 518060
光镊是捕获与操纵微纳颗粒的重要技术手段，其基本原理为光与物质之间动量传递的力学效应，具有非接触、操纵精度高等优点，广泛应用于物理、化学、生物及医学等科学前沿领域。近年来，表面等离激元因具有突破衍射极限和近场能量增强两大特性，为光镊技术的发展带来了新的突破口，成为国际上一个重要和前沿的研究方向。基于表面等离激元的新型光镊技术主要分为两类：结构型表面等离激元光镊技术和全光调控型表面等离激元光镊技术，它们在颗粒捕获精度、捕获范围、操纵动态性与操纵自由度等方面各有特色，吸引了国际上众多研究人员进行大量的理论研究和实验探索。表面等离激元光镊技术在纳米颗粒、金属颗粒捕获以及近场电磁场增强与调控方面展现了独特优势，在生物传感、表面增强拉曼散射等领域具有广阔的应用前景。
物理光学 表面等离激元 光镊 金属纳米结构 光学捕获 表面增强拉曼散射 光学学报
2016, 36(10): 1026004
1 湖北经济学院 信息管理学院，湖北 武汉430205
2 湖北经济学院 电子工程系，湖北 武汉430205
3 武汉邮电科学研究院，湖北 武汉430074
基于非线性光学原理，周期性金属纳米结构与非线性光学材料复合可以实现全光开关。通过数值模拟周期性金属纳米结构附近的电磁场可知，周期性金属纳米结构的表面等离子体激元有着明显的局域场增强特性。这种强的局域场可以大大增加非线性材料的三阶非线性效应，使全光调控现象更明显，从而降低开关的阈值功率，并实现超快的响应速度，有望在将来全光通信网络中得到广泛应用。
周期性金属纳米结构 全光开关 三阶光学非线性 metallic periodic nanostructure alloptical switch thirdorder optic nonlinearity
