倒梯形双层金属光栅式偏振分束器

为获得高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度容差的光栅结构,提出了一种在近红外波长区域工作的倒梯形双层金属光栅结构的偏振分束器。该结构引入了一层高折射率介质层,并且将光栅区的光刻胶斜切成倒梯形结构,新的设计增大了光栅的透射效率和消光比。使用严格耦合波分析方法,模拟和优化了偏振分束器的结构参数。结果表明,横磁波及横电波在1 290~1 840 nm波长范围内的透射效率和反射效率分别超过97%和95%。透射和反射的最大消光比分别为33 dB和53 dB。在波长为1 550 nm,入射角为-40~40时,光栅的透射和反射消光比都大于22 dB,达到了高性能偏振分束器的要求。相较于双层金属矩形光栅,所提出的倒梯形双层金属结构表现出更高的透射性与反射性,同时具有更好的设计灵活性。     

闪耀光栅的衍射特性研究

为了系统研究闪耀光栅的衍射特性,分析光栅结构参量对其衍射效率的影响,采用严格的耦合波分析方法,得到了闪耀光栅的槽顶角、闪耀角等结构参量以及波长与衍射效率的关系。结果表明,随着槽顶角的增大,闪耀角向减少的方向移动,衍射效率则向降低的方向移动;槽顶角一定时,随着光波长的增大,衍射效率降低,同时闪耀角向增大的方向移动;同时分析了闪耀光栅的偏振现象。分析结果可为闪耀光栅的设计提供参考依据。     

利用严格耦合波方法研究多层介质膜光栅掩膜特性

从理论和实验上研究了多层介质膜光栅掩膜特性，用严格耦合波（RCW）法对由光栅掩膜槽形和多层膜介质基底引起的衍射效率的变化进行了理论分析，计算得出不同形貌下的光栅掩膜的反射0级光谱衍射效率分布。在实验检测方法上，采用了0级反射光衍射效率分布来进行槽形判断，并将实验结果和理论计算进行了对比。结果证明使用该方法研究光栅掩膜形貌在一定程度上是有效的。     

高深宽比金属光栅制备及中红外波段传感特性

利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了具有高深宽比的金光栅,使用傅里叶变换红外光谱仪测得了反射谱线.测量结果显示,只在p偏振光垂直于光栅矢量方向入射条件下才存在共振反射峰,证明了“伪表面等离子体激元波”的存在.基于严格耦合波分析理论计算了金属光栅的反射率,研究了其作为中红外波段波长调制型表面等离子体共振传感器的可行性.数值计算表明负级次衍射光波对应的共振反射峰的移动能获得较高的波长灵敏度.对于深宽比为10的金光栅结构,+1级次和-3级次衍射光波对应的波长灵敏度分别为1600 nm/RIU和5000 nm/RIU,品质因子分别为20 RIU-1和60RIU-1.     

一维深亚波长光栅的耦合波分析及偏振特性的研究

讨论了一种新的一维深亚波长光栅,其周期结构由等离子体增强化学气相淀积法(PECVD)制备的周期性多层膜构成。简单介绍了这种深亚波长光栅的制作方法。采用严格耦合波分析(RCWA)理论计算了这种一维深亚波长光栅的衍射效率,分析了它的偏振特性。     

导模共振光栅参量对共振波长和线宽的影响研究

为了能够设计出具有反射功能的导模共振光栅，采用光栅的等效介质理论、平面波导理论以及严格耦合波法，进行了理论分析和实验验证，设计了在TE偏振下波长850nm处具有反射共振的导模共振光栅。利用严格耦合波法，计算并分析了光栅参量、入射角以及波导层厚度对共振波长和线宽的影响。结果表明，随着占空比的增大，共振波长会红移，而共振线宽会随着占空比的增大先增后减，占空比为0.5时线宽能达到最宽；共振波长会随着光栅周期和波导层厚度的增大而增大，但线宽几乎不变，当周期从490nm增加到520nm时，共振波长红移了将近50nm，而当波导层厚度从217nm增加到251nm时，共振波长红移了将近25nm；光栅厚度变化对共振波长和共振线宽影响很微弱，当入射角是垂直入射时仅有一个共振峰，但是当入射角不为0°时会出现两个共振峰，并且两个共振波长随着入射角度的变大一个会蓝移而另一个则红移。该研究为实际制备反射导模共振光栅提供了理论指导。     

800 nm亚波长夹层式金属偏振分束光栅

为获得高性能的偏振分束光栅,设计了一种亚波长夹层式金属光栅结构,通过严格耦合波分析和遗传算法优化出最佳光栅结构。所设计的光栅在波长为800 nm时,0级衍射级次上TM偏振波的透射率和TE偏振波的反射率分别为98%和96.5%。在波长747 nm 854 nm,以及入射角-27 27范围内,光栅的透射和反射消光比都大于20 dB,达到了高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度的要求,数值分析表明该光栅对周期、槽深、覆盖层厚度具有优良的工艺容差。该光栅结构简单,性能稳定,对入射光损耗低,偏振分束效果明显,在光学偏振器件、激光器系统、偏振成像等领域具有广泛的应用前景。     

金属膜衬底上亚波长介质光栅结构的特性及传感应用

提出亚波长介质光栅-金属膜-石英玻璃衬底结构,根据等效介质理论该结构可等效为由金属-光栅-包覆层构成的单面金属包覆波导,在入射波长和入射角满足一定条件时,发生导模共振(GMR)从而产生光波全吸收现象。根据严格耦合波分析(RCWA)理论进行数值分析发现,等效波导中的TM1 GMR峰尖锐,并且对光栅包覆层的折射率变化非常敏感,角度灵敏度为127.87°/RIU(RIU为折射率单位),波长灵敏度为409.35 nm/RIU,在很大的折射率范围内线性度良好。与全介质GMR传感器和光栅型表面等离子体共振(SPR)传感器相比,该结构通过GMR实现较高灵敏度的同时,其较窄的共振峰使得检测精度更高。     

含光学非线性介质薄膜对表面等离子波的影响

表面等离子体是在金属和电介质交界面上所形成的电荷层,在电磁波的激励下表面等离子体会发生共振现象,影响电磁波的传播。为了拓宽表面等离子体共振技术的应用,研究了多层纳米膜结构中的表面等离子体共振,并且根据Fresnel公式和Walpita描述的矩阵方法,计算了光在含有非线性介质的多层纳米膜中传播时的反射率R,其中非线性介质具有光克尔效应和双光子吸收。应用Matlab软件,画出了反射系数R和入射角θ之间的关系曲线。进一步讨论了光学非线性对表面等离子体共振角谱的影响,其中光强在0.5×1012W/m2到1.5×1012W/m2的范围内,Rmin随着入射光强的增加而变大,而θp随入射光强的增加而呈递减的趋势。     

石墨烯介质堆栈提高系统调控Fano共振能力

为了更加有效地利用亚波长光栅/介质波导结构调控Fano共振,使用石墨烯介质堆栈代替石墨烯单层作为缓冲层,采用严格耦合波分析方法仿真改进后的结构,研究了堆栈单元中纳米级介质厚度增强石墨烯电导率的变化对整个堆栈结构等效介电常数的影响。结果表明,若系统作为高效光开关使用,则所需的石墨烯化学势改变由原来的0.06eV减小到了0.02eV,且开关调制深度高达94%;若系统作为可调谐吸波体使用,则其频率调制深度由原来的0.14THz增加到了0.36THz,大大扩展了吸收谱的调节范围。改进的结构提高了系统调控Fano的能力。     

非周期三角光栅表面等离子体激元透镜研究

提出了一种新的表面等离子体激元透镜结构,该结构通过在两个亚波长小孔的外表面放置非周期的三角形电介质光栅实现对入射光束的有效汇聚。利用时域有限差分法(FDTD)计算了该结构中的稳态电磁场分布,讨论了光栅数目对成像特性的影响,计算发现,聚焦光斑可能出现一个、二个甚至三个;探讨了光栅折射率对成像的影响,发现在一定介质范围内,随着折射率的增大,焦距也随之增大;除此之外,亚波长小孔的数目、光栅中心距离小孔的位置及中间无三角形等因素都在不同程度上对透镜的成像特性有一定影响。     

碳纳米管束/介质界面表面波激发与传输特性

基于表面等离子体波产生的物理机理和其新颖特性,设计出能够激发太赫兹表面等离子体波的两种圆柱体周期性光栅结构模型.通过研究周期性阵列结构中表面等离子体波的色散关系,理论预测了表面等离子体波的共振频率,并在仿真实验结果中得到验证.通过观察表面等离子波电场的变化,结合理论详细分析了界面处表面波随各因素的变化规律.研究结果表明,垂直结构的碳纳米管束半径为24 m,栅周期为95 m时,激发的表面等离子波最强;而对于水平结构,半径为25 m,栅周期为120 m时,所激发表面等离子波最强.其研究结果对利用等离子波探测THz信号和THz传感器的设计有重要指导意义.     

All-optical Control of surface plasmon polaritons based on metal slit structures

表面等离激元是束缚在金属—介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限,被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。基于我们的研究工作,就几种表面等离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-波罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应,这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论上和实验上,利用金属狭缝结构实现了亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。     

Investigation on surface plasmon polaritons and localized surface plasmon production mechanism in micro-nano structures

The simulation mechanism of surface plasmon polaritons (SPPs) and localized surface plasmon (LSP) in different structures was studied, including the Au reflection grating (Au grating), Au substrate with dielectric ribbons grating (Au substrate grating), and pure electric conductor (PEC) substrate with Au ribbons grating (Au ribbons grating). And the characteristics of the Smith-Purcell radiation in these structures were presented. Simulation results show that SPPs are excited on the bottom surface of Au substrate grating grooves and LSP is stimulated on the upper surface both of Au ribbons grating grooves and Au grating grooves. Owing to the irreconcilable contradiction between optimizing the grating diffraction radiation efficiency and optimizing the SPPs excitation efficiency in the Au substrate grating, only 40-times enhancement of the radiation intensity was obtained by excited SPPs. However, the LSP enhanced structure overcomes the above problem and gains much better radiation enhancement ability, with about 200-times enhancement obtained in the Au ribbons grating and more than 500-times enhancement obtained in the Au grating. The results presented here provide a way of developing miniature, integratable, tunable, high-power-density radiation sources from visible light to ultraviolet rays at room temperature.     

太赫兹表面等离激元及其应用

金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元(SPP)以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元(SSP)是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础。随着太赫兹科学技术的发展,太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注。本文介绍了传统的光学表面等离激元及其发展,详细阐述了太赫兹波段的人工表面等离激元(SSP)和石墨烯表面等离激元(GSP)的基本原理和发展历程,对表面等离激元在太赫兹波段的新型辐射源、无源器件、超分辨率成像及其他领域的应用进行了较为全面的总结和评述,并对该领域未来进一步发展的方向进行了展望。     

SPPs激射中Airy表面等离子的特性分析

为了研究表面等离子体(SPPs)传播产生的Airy等离子的特性,分析和仿真了Airy等离子的独特性质。利用SPPs的激射原理,对Airy等离子的本征态进行了理论分析,研究了光栅耦合SPPs的激射结构中Airy等离子的性质。结果表明:无衍射的Airy表面等离子不仅具有在近场能量放大和快速传播的特性,而且还能利用其特性控制光束的传播;Airy表面等离子只有在一定宽度下与光激发的相互作用才能抑制能量损耗,在基质宽度小于600 nm左右时无法出现显著的Airy表面等离子;不同宽度的基质条件下激射能量与产生Airy离子的趋势一致;Airy表面等离子在激发能量较小时就能实现快速传播,在2.3 eV作用时能量的增加对Airy的等离子的作用不再明显。这一研究对于SPPs的强局域化应用实现、表面光学处理和线性控制无衍射SP光学产生了积极的作用。     

混合表面等离子体光子晶体波导

构建了一种金属-绝缘体-半导体混合表面等离子体结构,基于时域有限差分法验证了该结构在归一化频率0.243~0.271 (a/λ) 范围内具有明显的TM模式带隙。在二维光子晶体层移除或改变中间行空气孔半径构成线缺陷,形成混合波导结构1和2。分析表明,入射光频率位于带隙内的光子能量被很好的局域在低折射率层中,且只能沿线缺陷传输。当入射波长为1550nm时,两种波导的传输距离分别为18.41μm和15.70μm,群速度极值分别为0.186c和0.166c,品质因数FoM达到384.74和1042.50。此波导能通过光子晶体层的线缺陷控制低折射率层SPP的传输路径,为波导器件的研究提供了有效的理论基础和依据。     

介质加载表面等离激元的近场光学观测

利用扫描近场光学显微术(SNOM),观测并分析了基于银膜衬底上CdS纳米带的介质加载表面等离激元(Dielectric-loaded Surface Plasmon Polariton,DLSPP)的激发现象.通过SNOM可以观察到纳米带不同位置的光致荧光光谱峰位有30 meV的红移量.利用Franz-Keldysh效应可以很好地解释能量红移的产生.有限时域差分法的模拟结果进一步验证了实验中观测的现象.这种DLSPP的激发结构,对于光子集成电路及基于等离激元的微纳器件波导有实际意义.     

基于级联金属光栅结构的有机太阳能电池宽谱吸收增强

为拓宽活性材料对太阳光谱的吸收范围,实现器 件的宽谱吸收增强,本文提出一种基 于光栅结构的新型有机太阳能电池器件,该器件在一个周期内引入不同占空比的光栅来构成 级联光栅。本文采用时域有限差分法从理论上研究了级联光栅结构对器件吸收性能的影响, 结果表明该结构可激发多个表面等离激元谐振,这些不同波长下的谐振模式可以在吸收光谱 中同时存在,从而实现宽谱吸收增强。考虑太阳光谱的影响,在TM和TM/TE混合偏振模式 下,活性材料的整体吸收效率从等效平板结构的23.9%分别提高到54.2%和36.4%,分别增 强126.8%和52.3%,且基于该级联光栅结构的 太阳能电池器件可实现在0到65度入射角范 围内的广角吸收。此外,在TM偏振模式下,该器件的吸收性能对光栅参数微小误差变化的 敏感性较低,适用于实际纳米器件 的制备。这项工作的理论结果有助于纳米金属光栅在有机 太阳能电池中的应用提供新的理论指导。     

Effect of dipole location on profile properties of symmetric surface plasmon polariton mode in Au/Al2O3/Au waveguide

This study uses a dipole embedded in Al2O3 layer to excite a symmetric surface plasmon polariton (SPP) mode in Au/Al2O3/Au waveguide to investigate its profile properties by using finite-difference tim...