亚波长单金属槽电磁场增强分析

针对金属微纳结构在表面增强拉曼光谱领域的应用,研究了金属基底亚波长单槽结构产生的电磁场增强。采用全矢量方法严格计算了平面波照明下金属槽外部区域电磁场的分布情况。建立了法布里-珀罗(F-P)半解析模型,该模型能够精确预言全矢量方法的计算结果,能够节省设计最优槽深的计算量。基于该模型分析了金属槽外部区域电场增强的物理机制,结果表明达到相长叠加共振状态的金属槽内基模在槽外空间中激励的透射电场是金属槽外空间中电场增强的主要来源。研究了槽外空间电场增强的范围,结果表明对于不同的槽宽和入射波长,在垂直距离槽口0.1倍波长的范围内电场增强较为明显,在该范围之外,电场增强因子迅速衰减到1的数量级。     

交叉蝴蝶结纳米结构的Fano共振效应用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的理论研究

Fano共振效应拥有独特的局域场增强效果,在表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,不同波长局域场增强空间位置相同的结构结合Fano共振效应,可以实现混合频率共振模式,使得表面增强相干反斯托克斯拉曼散射总的增强因子得到大幅度提高。采用FDTD软件系统研究了对称的交叉蝴蝶结Au纳米结构的Fano共振效应,该效应使得交叉蝴蝶结结构中心位置附近的电场强度得到大幅度的增强,把该结构应用到表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,可以使表面增强相干反斯托克斯拉曼散射信号的增强因子高达1013,达到单分子检测的水平。     

太赫兹波段金属光子晶体光纤增强拉曼散射现象的研究

深入探究了金属光子晶体光纤的表面增强拉曼散射现象,建立了时域有限差分法的平板结构的模型,利用观察到的超强透射现象得到了发生拉曼散射的理论依据。金属光子晶体在太赫兹波照射下的表面电磁场增强效果的实验中得到:入射波能量越大,更易激发产生金属光子晶体的表面等离子体共振,可以使金属表面的增强效果得到较大增强;拉曼散射效果在太赫兹波段内十分明显,吸收光谱效果和荧光效应也相对较小,能够显著提高灵敏度和分辨率。     

多元等离子体共振纳米结构的飞秒激光加工与拉曼检测应用

以多元金属纳米薄膜(金、银)为基底,利用飞秒激光加工技术制备得到多元等离子体纳米结构,并研究了其局域表面等离子体共振效应(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)和表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)性能。利用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)软件模拟了不同情况下(单层金膜、金银双层金属薄膜的平面以及阵列结构)的电场分布情况。根据仿真结果,相较于平面金属膜来说,飞秒激光制备的微纳结构阵列附近区域产生电磁场增强,集中在结构边缘处,且其强度变化与预期结果基本保持一致。此外,使用浓度为10-4 M和10-6 M的罗丹明(R6G)溶液进行SERS性能测试。测试的结果表明,单层平面金膜基本没有SERS峰值信号出现,而单层金膜上制备的等离子体纳米结构附近出现峰值信号,双层金属薄膜上制备的等离子体纳米结构展现出更高的SERS峰值信号。多元金属等离子体纳米结构展示出更强的局域表面等离子体共振效应,从而在表面增强拉曼散射、光催化、生物传感等领域具有广泛的应用。     

亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子体影响

从理论上详细研究了一维亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子的影响。分别对一维标准亚波长金属光栅和缺陷亚波长金属光栅进行了研究。电场分布情况采用了COMSOL软件进行模拟。得到的结论是:对于一维标准亚波长金属光栅,沿金属光栅传播的表面等离子体取决于槽深度,较深的槽具有更强的束缚能力;对于具有缺陷的光栅结构,电场强度的分布特点取决于缺陷槽的深度,这归功于缺陷槽对光的反射和散射。基于这一理论研究,这两种不同的亚波长金属光栅结构能为太赫兹器件如波导、衰减器及滤波器发展提供新的途征。     

脉冲激光改性金属纳米薄膜的等离子体特性

在室温环境下,实验采用Nd\:YAG光纤脉冲激光器辐照银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)三种光滑连续的金属薄膜,制备出了对应的三种金属纳米颗粒薄膜。通过调节激光扫描速率可以实现三种金属纳米颗粒薄膜的局域表面等离子体共振(LSPR)波长和强度的调谐。其中,Ag纳米颗粒薄膜在可见光波段的等离子体吸收峰的波长和强度均表现出较宽的调谐范围,Cu纳米颗粒薄膜在可见光波段的等离子体吸收峰的波长和强度均表现较小的调谐范围,Al纳米颗粒薄膜在紫外光波段的等离子体吸收峰窄而尖锐,且LSPR波长调谐范围也较小。与激光辐照前的三种金属薄膜相比,激光辐照后生成的三种金属纳米颗粒薄膜出现了更强的表面增强拉曼散射信号。有限差分时域仿真模拟出的样品的电场强度分布与实验得到的表面增强拉曼散射结果一致。     

金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹偏振透射特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹透射特性。结果表明,太赫兹波会激发金属狭缝阵列结构的表面等离体波共振,表面等离子体共振产生太赫兹波段超强透射现象。由于表面等离子体共振效应,这种狭缝结构对于透射的太赫兹产生很高偏振度,这些实验结果为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考。     

自组装法制备团簇Ag纳米结构衬底及其SERS

采用自组装方法,在3-Aminopropyltrimethoxysilane(APS)分子修饰后的玻璃衬底表面,获得了二维Ag纳米结构衬底。在波长为532nm激光激发下,研究了沉积在衬底表面的Rhodamine 6G(Rh6G)分子的拉曼光谱特性。结果表明,制备的二维Ag纳米结构衬底具有强的拉曼增强特性,增强因子可以达到107倍。这说明,在外光场作用下,制备的Ag纳米结构衬底表面能够形成的强局部电磁场分布,可以有效提升探针分子的光谱辐射效率,从而获得高增强拉曼散射。     

表面修饰的亚波长金属Cu狭缝结构透射特性研究

为了深入研究表面修饰余弦凹槽的亚波长结构对太赫兹波透射特性的调控规律,提出一种表面修饰余弦凹槽的太赫兹亚波长金属Cu狭缝结构,基于时域有限差分法,对亚波长金属Cu狭缝结构的太赫兹波透射光谱特性进行模拟。仿真结果表明,通过改变金属Cu狭缝结构上下表面余弦凹槽的结构排布、数量、周期、深度及狭缝深度、宽度等参量,实现了对太赫兹波透射强度的调控。     

双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

自组装法制备团簇Ag纳米结构衬底及其SERS

采用自组装方法,在3-Aminopropyltrimethoxy silane(APS)分子修饰后的玻璃衬底表面,获得了二维Ag纳 米结构衬底。在波长为532nm激光激发下,研究了沉积在衬底表面的 Rhodamine 6G(Rh6G)分子的拉曼光谱特性。结 果表明,制备的二维Ag纳米结构衬底具有强的拉曼增强特性,增强因子可以达到 10⁷ 倍。这说明,在外光场作用下,制备的Ag纳米结构衬底表面能够形成的强局部电磁场分布, 可以有效提升探针分子的光谱辐射效率,从而获得高增强拉曼散射。     

金属尖端角度对表面增强拉曼散射的影响

金属尖端对于表面拉曼散射有增强的效果,但尖端的尖锐程度对于表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)的影响很少有定量的报道。为了研究角度大小与SERS的关系,需要制备具有不同角度的结构。利用数字微镜设备（Digital Micro mirror Device, DMD）进行光学投影光刻制备了四组样品,分别具有30°60°90°120°角金属微结构,测量了这些结构对应的SERS谱,研究金属尖端角度大小对于SERS的影响。研究发现,锐角具有更好的表面增强拉曼散射效果,而且增强效果对角度依赖强烈,角度越小增强效果越明显;钝角情况下,SERS对于角度大小依赖的敏感度下降。     

金纳米阵列诱导表面等离子体微刻蚀试验分析

通过麦克斯韦方程组推导了等离子体激发的条件,随后根据表面等离激元在亚波长孔周期阵列中增强光传输的原理制备金属-介质-金属(MIM)型周期性孔阵列薄膜,这种薄膜结构可补充入射光与等离子体基元间的动量失衡,进而在金属表面成功实现表面等离子体的激发。最后利用所制备的MIM型周期性孔阵列结构进行激光微纳加工试验,探索其在激光微纳加工中的作用。选择单晶硅作为激光微纳加工的对象,试验结果表明,这种薄膜结构可通过诱导激发等离子体实现材料的去除,在硅片的表面制备出大范围的微孔结构。     

THz波微结构器件特性的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。综述了THz波微结构器件特性方面的研究工作。亚波长金属周期微结构器件的THz波谱选择增强透射现象,亚波长环形槽金属线上的THz等效表面等离子体激元,以及THz光子晶体光纤。     

碳纳米管和金属纳米粒子复合结构的拉曼光谱特性

提出了一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的表面增强拉曼基底,并进行了实验研究。采用化学方法制备了单壁和多壁碳纳米管薄膜;利用离子溅射方法在碳纳米管薄膜上形成Au纳米粒子,构成基于碳纳米管和金属纳米粒子复合结构的表面增强拉曼散射基底。对此样品进行了扫描电子显微镜(SEM),反射谱、拉曼谱等表征测试。研究表明,该基底由于碳纳米管极大的比表面积,可吸附更多的金属纳米粒子,增强拉曼散射信号强度。     

带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性

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。     

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。     

蒸发过程对碳纳米管复合结构拉曼增强特性的影响

为了分析探针分子水溶液蒸发过程对三维基底的表面增强拉曼散射(SERS)特性的影响,利用磁控溅射和高温退火的方法制备了银纳米颗粒修饰垂直排列的碳纳米管阵列(Ag/CNTs)三维复合结构样品。采用time-course SERS mapping测试方法,分别以1μmol/L罗丹明6G(R6G)和10-2μmol/L孔雀石绿(MG)作为探针分子,进行了相应的实验。研究表明:随着蒸发时间逐渐增加,探针分子的拉曼信号先增强后减弱。分析其主要原因:探针分子溶液在蒸发过程中,由于毛细力的作用,引起探针分子与三维结构之间"热点"的变化,从而带来电磁场增强特性的变化;此外,聚焦深度和浓度的变化也影响拉曼信号。     

阵列周期对金属/电介质光子晶体滤波特性的影响

本文从理论和实验上研究了在圆孔半径与阵列周期的比维持不变（1 / 4）的条件下,每隔1微米改变阵列周期大小（范围从6至8微米）对金/二氧化硅薄膜正六边形亚波长孔阵列的金属/电介质光子晶体（MDPhC）滤波特性的影响。结果表明,其反射光谱与阵列周期有关。当阵列周期增加,反射光谱中出现有规律地红移。采用时域有限差分（FDTD）法数值模拟的结果与实验结果相吻合。通过分析反射率最小值的位置和阵列周期之间的关系,发现在圆孔半径与阵列周期的比维持1 / 4的条件下,MDPhC滤波特性与阵列周期几乎有一个线性关系。这一发现为调控MDPhC的滤波特性提供了一种有效的方法,其在光滤波器,等离子体热发射器等具有潜在的应用。     

银光栅/银纳米颗粒复合结构的光场增强研究

通过时域有限差分法模拟了银光栅/银纳米颗粒复合结构的消光光谱和分布于光栅槽底的银纳米颗粒周围的电场分布。光栅的周期显著影响光栅和纳米颗粒之间的耦合作用,复合结构的共振峰随周期的增加而红移;在不同激发波长下,纳米颗粒周围的电场随周期的变化呈现出不同的规律。为了考察这种复合结构在表面增强拉曼散射光谱(SERS)研究中作为基底时的增强效果,比较了复合结构在785,633,532nm激光激发下的光场增强随周期的变化规律,得到综合增强性能最优的光栅周期为520nm。为了进一步提高复合结构的光场增强效果,对光栅栅脊宽度进行了优化。在优化好光栅周期和栅脊宽度的基础上,从SERS基底化学稳定性的需求出发,仿真了在光栅表面添加4nm金膜层后的银-金光栅/银纳米颗粒复合结构的电场增强效果。