武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉 430081
基于时域有限差分法仿真模拟了毫米级超材料的中远红外光谱响应,并结合电场散射效应分析了毫米方形图案的边缘电场分布对红外反射率的影响。通过参数扫描法优化得到了方形单元的最优厚度。将边缘区域离散化为独立单元,并将x、y方向分别设置为完美匹配层(PML)、periodic边界条件,通过迭代计算及加权叠加获得了毫米方形超材料的红外光谱响应及电场分布。结果表明,该超材料在2~16 μm内的红外反射率保持在81.9%以上,最高可达87.05%。当图案占空比相同时,单元周期的减小增强了超材料边缘区域的电场散射效应,导致其在8~10 μm远红外波段内的反射率保持在84.25%以上。实测结果与仿真结果较好地吻合,这为毫米级红外辐射抑制超材料的设计提供了新的思路。
光学设计 毫米级超材料 电场散射效应 时域有限差分法 中远红外高反射
光子学报
2023, 52(12): 1205002
上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
采用有限时域差分(FDTD)法仿真了不同闪耀光栅结构上的银(Ag)薄膜模型。在633 nm的激发光下,闪耀光栅上周期为1/1200 mm、厚度为15 nm的Ag薄膜模型产生了较强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应。利用机械刻划工艺和电子束蒸发镀膜工艺成功制备了这种Ag光栅薄膜,从而大幅降低了图案化电场增强薄膜的制备成本和难度。利用该电场增强Ag薄膜,基于表面增强拉曼散射(SERS),对亚甲基蓝染料进行检测,SERS信号强度增强,与FDTD仿真结果吻合。同时,基底不同位置处的主要特征峰强度的相对标准偏差(RSD)值都小于17%,薄膜表现出良好的均匀性和再现性。
薄膜 局域表面等离子体共振 有限时域差分法 金属薄膜 闪耀光栅 表面增强拉曼散射 中国激光
2023, 50(23): 2303101
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院,江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院,江苏 南京 210023
随着光通信产业和光互联技术的高速发展,具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体(SOI)材料为基底的光子晶体纳米梁腔(PCNC)反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中,然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数,可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径,使得光束更好地被束缚在腔内。同时,在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结,施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长,从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分(3D‐FDTD)法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明,该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制,调制电压仅为1.2 V,插入损耗为0.2 dB,消光比为24 dB,面积仅为54 μm2,调制速率为8.7 GHz,调制带宽为122 GHz,调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑,性能优异,有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。
光通信 载流子色散效应 时域有限差分法 光子晶体纳米梁腔 硅基波导 电光调制器 中国激光
2023, 50(19): 1901005
闽南师范大学物理与信息工程学院,福建 漳州 363000
近年来,Rh纳米结构因在紫外波段有较强的局域表面等离激元共振(LSPR)效应,且材料的物理化学性能稳定,引起了广泛关注。以Rh纳米结构为研究对象,采用时域有限差分法系统地模拟并分析200~400 nm波段圆柱状Rh纳米阵列结构的消光特性和电场强度分布,以此研究Rh纳米结构的局域表面等离激元共振特性。结果表明:Rh纳米结构的LSPR特性与其直径、高度、间距以及周围折射率都有极强的相关性。通过这些参数的变化可以有效调制Rh纳米结构的LSPR共振波段,这对实现Rh纳米结构LSPR效应在紫外吸收、探测等相关领域应用具有重要参考意义。
光电子学 局域表面等离激元共振 Rh纳米结构 时域有限差分法 消光光谱 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1925001
中国石油大学(华东)理学院,山东 青岛 266580
具有超高品质因子的光学微腔是构造各种集成光子器件的重要组件,以光子晶体微腔为基础的混合微腔为实现强烈的光和物质相互作用提供了一个新颖的平台,在腔量子电动力学、集成单光子源、量子计算等方面都具有十分广阔的应用前景。本文基于双异质结构光子晶体微腔,结合蝶形金纳米天线等离激元结构,设计实现了一种可见光波段的新型光子-等离激元混合微腔,并通过改变蝶形金纳米天线的间隙、角度、长度、厚度、相对位置等结构参数,利用三维时域有限差分法研究了等离激元纳米结构对混合腔的品质因子、有效模式体积、品质因数的调控规律,模拟结果显示,混合腔的有效模式体积和品质因数分别始终稳定在10-6(λ/n)3和108(λ/n)-3数量级,最佳品质因数值可达5.730689×108(λ/n)-3,优于其他类型的微腔。
光电子学 纳米光子学和光子晶体 光子晶体微腔 等离激元 纳米天线 品质因子 时域有限差分法 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1525002
河北工业大学 能源与环境工程学院,天津 300401
将纳米流体用于光谱分频(spectral beam splitting, SBS)型PV/T系统可提高系统效率,合适粒径的纳米颗粒(nanoparticles, NPs)能有效过滤光伏电池光谱响应外的太阳辐射。采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)模拟了Au、Ag、Cu、Fe3O4、ZnO、TiO2六种NPs的光学特性,以单晶硅太阳能电池的光谱响应为例,研究了粒径为20 nm~200 nm六种NPs的光吸收性能,并将契合度作为评价指标优化粒径。结果表明:NPs的光学性质对其粒径大小非常敏感,通过改变NPs粒径,可在较宽范围内调节散射、吸收和消光峰位置,且其峰值均随粒径增大而增加。金属NPs对太阳辐射的吸收能力优于非金属NPs,6种NPs单位体积最大吸收功率分别为21.88 GW/m3、17.95 GW/m3、20.16 GW/m3、2.54 GW/m3、1.02 GW/m3、0.27 GW/m3。契合度指标分析表明,适用于SBS型PV/T系统的6种NPs的最优粒径分别为20 nm、50 nm、20 nm、170 nm、110 nm、20 nm。
PV/T系统 纳米颗粒 时域有限差分法 契合度 粒径优化 PV/T system nanoparticles finite difference time domain method degree of appropriateness particle size optimization