“等离激元新效应与应用”专题 前言
——刘辉 方哲宇 祝世宁
[摘要]光与物质的相互作用一直都在吸引着人们的研究兴趣，它也是与各种光学应用有着广泛联系的基础物理问题。等离激元是光与凝聚态物质相互作用形成的一种新型元激发准粒子，具有特殊的色散与光传输特性，是微纳光子学研究前沿领域之一。长程传播的等离激元在传播过程中波矢色散很大，可以突破衍射极限，实现亚波长尺度光信号的传输、超分辨成像、超分辨光刻等。亚波长结构的等离激元具有很强的电磁共振...
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武汉大学物理科学与技术学院
[摘要]非线性光学作为现代光学及光子学的重要分支,主要研究强光与非线性介质材料相互作用所产生的现象及相关应用,包括光学谐波产生,激光频率调制,超快光开关,光学探测及光学成像等[1-3]。虽然,非线性光学效应在光子器件上已经被广泛应用,并且在很多方面表现出其独特的优势,但是只有当外加电场的强度足够大时,才会有比较明显的非线性效应产生。因而,材料固有的非线性光学响应很弱,现有的非线性光学晶体多通过增加相互作用长度来提高非线性转换效率,然而由于其尺寸较大,很难适用于集成微纳光电子器件领域。正因如此,在微纳尺度下提高弱光非线性转换效率是非线性光学发展的一个重大挑战。
南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心
[摘要]近年来,变换光学与超构材料的提出及发展为人们提供一种控制电磁波的新范式。众所周知,超构材料是一种周期性人工微结构的新颖材料,其结构单元的几何尺寸及单元间距远小于工作波长。因此对于电磁波来说,由这些亚波长单元组成的宏观体系可以看作为介电常数、磁导率、折射率等性质与原材料明显不同的人工新材料。该材料可通过调节结构单元来自由调控其电磁参数,尤其是实现自然界所不存在的材料,其中负折射率材料被广泛报道。对于负折射率材料,光入射到其表面发生反射和折射时,入射光和折射光分布在表面法线的同一边,而不是像正常材料那样分布在两边。与此同时,变换光学提出对于电磁波来说“弯曲空间”等价于“非均匀各向异性材料”的概念,可按照人为意愿设计材料的电磁参数从而控制电磁波以预设路径进行传播。随着实验技术的发展,尤其是微纳加工水平的提高,在实验上可实现富有想象力的变换光学器件,譬如科幻电影里的隐身斗篷。但大多数变换光学器件只在微波或者近红外波段工作,在可见光波段工作实验上仍存在很大挑战。其一是制备工艺问题,如果在可见光波段工作需要在更小的尺度上制备人工结构单元,对于目前微纳加工的精度来说是一个挑战;其二是损耗问题,通常超构材料的工作单元是金属的人工共振劈裂环或光子晶体,对于由共振调控电磁参数的金属结构单元无法避免金属的欧姆损耗,而光子晶体通过结构单元散射调控等效参数,因此散射损耗很难克服,这些损耗问题在可见光波段会变得尤其严重。
东南大学物理学院
[摘要]光电探测器能够将光信号转化为电信号,在光通讯、成像、环境监测、军事等领域有十分广泛的应用。为实现高灵敏、快速、宽波段响应光电探测,研究人员在器件的原理及结构设计上不断探索。常见的光电探测器主要基于光电导、光伏、光热电等机制。在光电导器件中,一种类型的光生载流子被缺陷态等捕获,而另一种载流子在电场驱动下在器件沟道内多次循环,从而引入光电导增益。通过延长少数载流子的寿命或采用高迁移率沟道材料,可获得较高的光电导增益。然而,光电导器件的响应普遍较慢,一般在ms到s量级。基于光伏效应的探测器则依靠结区的内建电场将光生电子-空穴对分离,产生光生电势差或光生电流。光伏型探测器通常具有较快的响应速度,但由于缺乏增益机制,器件的响应度不高。光电导及光伏器件的波长探测极限通常受限于半导体材料的带隙。例如,硅基探测器的响应波长小于1.1 μm,对应硅材料约1.1 eV的带隙。区别于上述器件,光热电器件能够将光吸收引起的温差转换成电压从而实现光电探测。光热电器件可不受带隙限制并且可以进行无需制冷的长波红外光探测(中红外甚至THz波段)。但一般情况下,光热电器件的响应速度很慢,通常在s级。实现兼备高灵敏、快速、宽波段响应的光电探测仍是当前严峻的挑战,尤其是在红外光探测方面,对兼具快速响应及高灵敏度的器件的需求非常迫切。
上海交通大学电子信息与电气工程学院,区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室
[摘要]在单模光纤的端平面集成表面等离激元谐振(SPR)微纳器件,是融合微纳光学与光纤通信技术的一种独特途径。在对生化物质和环境场的探测中,这类技术已经清晰地展示出应用价值。与基于自由空间光束耦合到表面等离极化激元(SPP)的现有商业设备相比,光纤导波耦合的方式具有体积紧凑、光路灵活的显著优势。同时,细小的光纤端可以插进微量样品通过dip-and-read的方式直接读取信号,也能够伸入狭小的空间进行内窥探测,减轻内窥操作对检测对象造成的伤害。近10年来,针对这类器件,人们不断地发展与提升理论模型及制备工艺,并演示了对生物分子与声波的探测功能。在2018年英国物理学会发布的报告《The health of photonics》中,针对老龄化社会列出6项光学技术解决方案,其中就包括“在专用光纤上安装微小传感器,实现即时、高灵敏度的化学与生物分析。”另一方面,锥形光纤探针,因其较低的背景散射和便捷的制备工艺,也是一种集成等离激元纳米器件的良好平台。其中,通过扫描探针显微(SPM)技术操纵黏附在锥形光纤顶端的等离激元纳米颗粒天线,是实现等离激元天线精密动态调控的重要手段。本文拟结合作者的研究心得,对这两方面的研究现状、发展路径和应用前景进行介绍与讨论。
南京大学现代工程与应用科学学院智能光传感与调控教育部重点实验室
[摘要]1902年,Wood发现当TM偏振的入射光照射金属反射光栅表面时,反射光谱中会出现异常的吸收现象,这一现象引起了包括Fano在内的众多科学家的关注。1958年,Ferrell首次得到金属表面电磁波的色散关系,揭示了表面等离激元在关系中的重要作用。当发生表面等离激元共振(SPR)时,金属微纳结构对入射光的吸收和散射都急剧增强,能够有效地增强光与物质的相互作用。利用金属微纳结构实现等离激元增强(辅助)的光吸收和热局域效应也逐渐引起了光子学、材料科学、能源科学等多学科研究者的广泛兴趣。等离激元光热效应及其热利用成为等离激元光子学领域新兴的研究分支。
集成光电子学国家重点实验室吉林大学实验区
[摘要]以有机半导体材料为基础的有机光电器件,具有功耗低、成本低、工艺简单、可大面积制造、有机分子的结构和性能可剪裁、材料无毒等优势,在性能和应用上可以与无机半导体光电器件形成互补,从而在市场上占据不可替代的位置。有机薄膜自身因具有优异的柔性,及能制备在轻薄的柔性衬底上,可以满足现代电子产品的发展需要,能应用于可折叠卷曲的柔性便携式电子产品中。目前有机光电器件已经在显示、照明、太阳能电池、传感、生物医学等多个领域展现出应用潜力。
南京大学现代工程与应用科学学院
[摘要]复杂样品中各类痕量成分的快速定量测量一直是科学家们的梦想,在生命、健康、材料、能源等领域中具有广阔的应用,但其在原理、技术与操作层面也给研究者带来了前所未有的挑战。当面对小量且具有复杂结构的微纳材料/结构样品(譬如单个细胞、微量血样、复杂的多聚物混合等)时,由于样品量与尺度的限制,传统的基于分离、富集、检测、分析的方法体系不再适用。为解决上述问题,在过去几十年间人们发展了各类新型的超灵敏的检测方式,将极小量分子的信息转换为可测量的力学、电学或光学信号,而局域表面等离激元生化传感器就是其中重要的一个方法。
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室
[摘要]自由调控电磁波(光)一直是人类的梦想和追求,这不仅具有重要的科学意义,而且在信息、国防、能源等领域有着广泛的应用。然而,自然材料有限的原子种类和晶格排列方式,导致电磁响应参数(如电响应参数——介电常数ε,磁响应参数——磁导率μ)取值覆盖范围十分有限,这极大制约了自然材料对电磁波(光)的调控能力。近年来,人们提出电磁超材料,这是一种由亚波长微结构按特定排列方式组合而成的人工材料。与自然材料最大的不同是,超材料的电磁响应可以按照工程的需要进行设计,由此实现了自然材料所不能实现的一系列电磁波调控现象,包括负折射,完美棱镜超成像,变换光学,完美吸收,极化偏转等。
郑州大学物理工程学院
[摘要]基于表面等离子激元的纳米激光器能够将光源的尺寸降低几个数量级,结合表面等离子体波可将波长限制在纳米尺度内传输,突破衍射极限,从而实现与电子学器件的尺寸相匹配,最终实现整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了表面等离子激元的基本原理,对近年来的表面等离子激元纳米激光器的研究工作进行了总结,详细介绍了各种结构及其优势,指出了该类激光器在开发过程中面临的挑战和今后的工作重点,展望了纳米激光器广泛的应用前景。
山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室
[摘要]为了解决光学检测中金纳米棒荧光发射强度微弱的问题,通过连续激光照射,加强了金纳米棒局域表面等离子体共振效应,实现了对团聚金纳米棒荧光强度近两个量级的提高,同时具有实时调节金纳米颗粒荧光强度的优势。本文研究了荧光增强效应随激光波长、照射功率密度、金纳米棒长径比与比表面积的变化关系。结果表明,比表面积小的金纳米棒荧光增强效果更好;对于同一种金纳米棒,通过优化照射功率密度,选择与金纳米棒横向等离子体峰共振的波长进行照射可以获得更好的增强效果。
基于Au/Ce∶YIG/TiN结构的磁光表面等离激元共振及折射率传感器研究
电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心
[摘要]提出了一种基于Au/Ce∶YIG/TiN结构的磁光表面等离激元共振器件(MOSPR)。通过构建Au周期纳米盘、Ce∶YIG薄膜和TiN薄膜三层结构,实现Au纳米盘局域表面等离激元共振(LSPR)和TiN/Ce∶YIG界面传播型表面等离激元共振耦合,显著降低了LSPR的散射损耗,并实现了磁光效应的显著增强。MOSPR的横向磁光克尔效应(TMOKE)信号的绝对值达0.21。应用这一器件制备传感器,借助磁光氧化物的强磁光效应,可以显著提高LSPR传感器的品质因数(FoM)。基于TMOKE谱进行传感,器件的FoM可达2192.4586 RIU -1。该研究为高灵敏度、高FoM LSPR器件的制备提供了一种新思路。
上海大学理学院物理系
[摘要]利用表面增强拉曼散射(SERS)技术可增强金属表面某些位置(热点)的电场强度。选定Ag纳米颗粒二聚体这一金属纳米结构体系,研究其作为超分辨SERS成像基底的可行性。采用时域有限差分(FDTD)法,计算分析Ag纳米颗粒二聚体在不同波长和偏振方向的激发光作用下的电场分布特点。结果表明:Ag二聚体的电场分布具有高度局域化的特点,并且Ag二聚体中热点的电场强度可由激发光的偏振方向调控,这使其可以作为实现超分辨SERS成像的基底。
上海大学理学院
[摘要]基于介质加载石墨烯等离激元波导(DLGPW),提出并研究了单介质加载双层石墨烯对称表面等离激元波导(DLTGSSPW)。在DLTGSSPW中,双层石墨烯中的表面等离激元(SPP)相互作用,形成耦合的SPP模,即对称和反对称SPP模。采用有效折射率法和有限元法进行研究,发现耦合的SPP模的有效折射率、传播损耗、模式数目及电场强烈地依赖于DLTGSSPW的参数,例如入射波长、单介质条的高度和宽度等。耦合的SPP模与三层介质平板波导中的导模很相似。另外,当单介质条的高度足够大时,在每层石墨烯中,耦合的对称和反对称SPP模退化成非耦合SPP模,DLTGSSPW可被看作两个独立的DLGPW。DLTGSSPW这种性质使其有望在集成光学器件中有潜在的应用价值。
贵州大学大数据与信息工程学院
[摘要]结合流体动力学介电模型以及尺寸依赖介电模型,提出了一种可用于描述金属纳米结构中表面等离激元非局域和尺寸效应的介电理论模型。利用不同介质模型对半径为1~100 nm的银纳米球进行电子能量损失特性和光学特性的仿真对比,结果表明该理论模型可在较大的能量范围(1~5 eV)和尺寸范围(2~200 nm)内,兼容有效地反映出局域、非局域、尺寸、甚至是类量子尺寸等效应对金属纳米结构表面等离激元特性的影响作用。同时,研究结果还有助于理解表面等离激元在纳米尺度上的共振模式、能量分布机理和动态演化机制,为等离激元器件的开发设计提供了参考。
西安理工大学自动化与信息工程学院
[摘要]基于有限元法建立三维(3D)数学模型,计算硅薄膜光电探测器表面周期性分布的Ag纳米颗粒阵列对光电探测器光吸收性能的影响。结果表明对于球状Ag纳米颗粒阵列,阵列周期P与粒子直径d的比值是影响硅薄膜光吸收效率的关键因素。当硅衬底顶部粒子排布较密(P与d的比值较小)时,与裸硅光电探测器相比,等离激元光电探测器在不同入射角度下的光吸收效率都有不同程度的提高,其中在波长为700 nm、入射角度范围为0°~65°时,光吸收效率从5%提升到65%,整个波段范围内光电转换效率从29%增强为34%。
天津理工大学理学院
[摘要]采用严格耦合波分析方法系统研究了平面波照明的亚波长梯形金属槽阵列的光学异常吸收现象。模拟了结构参数的改变对亚波长金属梯形槽阵列吸收效率的影响,并引入Fabry-Perot半解析模型对计算结果进行分析。研究结果表明,亚波长金属梯形槽阵列的吸收增强现象主要来自槽内模式的Fabry-Perot共振效应及阵列结构间表面等离激元的能量传导耦合作用。当槽深满足Fabry-Perot共振条件,且阵列周期满足表面等离激元激发条件时,金属梯形槽吸收率峰值接近1。与矩形槽相比,选择适当的梯形槽斜边倾角可以在保证吸收率的同时,放宽槽深的加工容忍度,有助于降低器件加工难度,提升器件设计可行性。
西北师范大学物理与电子工程学院
[摘要]基于边界耦合的方法构造一种基于金属-介质-金属(MIM)纳米谐振腔波导组成的滤波器,该结构由1个拱型谐振腔和1个矩阵波导管组成。通过有限元法(FEM)仿真分析拱型腔波导MIM结构滤波器的传输特性曲线、谐振波长和磁场分布图。研究结果表明该拱型腔滤波器具有平滑的传输曲线、平坦的通带、较宽的带宽,且通带透射率高达0.976,阻带透射率低至0.001,这表示此结构滤波器具有良好的滤波特性。通过对该拱型结构滤波器进行参数优化,可以在光通信波段的三个通信窗口上实现通道选择的滤波功能,该结构滤波器在高密度光集成电路和纳米光学中具有广阔的应用前景。
福州大学机械工程及自动化学院
[摘要]在十字型太赫兹带通滤波器的时域有限差分法仿真中,随着铝箔厚度增大,主峰变窄,且高频处出现多个异常透射峰。利用飞秒激光微加工技术制备出铝箔厚度为150 μm的太赫兹滤波器,并利用时域太赫兹光谱系统进行性能测试。结果表明:实验结果与时域有限差分法模拟结果基本吻合;异常透射峰源于十字结构狭缝侧壁上的表面等离子体波的法布里-珀罗共振耦合,这种耦合效应可用于控制表面等离子体波,制造新型太赫兹器件。
西北师范大学物理与电子工程学院
[摘要]针对高温等离子体对太赫兹波的传输特性,采用单层介质矩阵传输模型的求解方法,研究太赫兹在等离子体电子密度、厚度、外加磁场强度和温度影响下的变化规律。数值分析结果发现,不同条件下高温等离子体对太赫兹波产生的传输特性不同,等离子体电子密度和厚度越大,反射率越大,透射率越小;外加磁场可以改善衰减情况,因此等离子体电子密度越小,厚底越小,温度越高,对穿过电磁波的影响越小,通过调节外加磁场的大小,避开衰减峰值,可以缓解通信“黑障”现象。
山西省高速公路信息监控中心
[摘要]基于贵金属纳米颗粒阵列的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系的辐射损耗,提高共振品质因子,增大局域场强。提出一种采用贵金属劈裂纳米环阵列产生多重表面晶格共振的方法。由于劈裂纳米环磁偶极共振的等效偶极矩垂直于纸面,能够同时向平面的x和y方向散射电磁波,这使得磁偶极共振与两个正交方向上的瑞利异常产生耦合成为可能。计算结果表明,在劈裂纳米环构成的阵列结构中,磁偶极共振能够与两个周期方向上瑞利异常形成耦合,从而产生表面晶格共振。当阵列周期不同时,能够同时激起两个表面晶格共振;利用劈裂纳米环的电四极共振也可得到类似的光学响应。这些特性使得贵金属劈裂纳米环阵列在微纳光子器件的设计方面将具有重要的应用价值。
