入射光偏振对金纳米棒状颗粒光学性质的影响

利用离散偶极近似(Discrete dipole approximation,DDA)方法分析了入射光偏振状态对单个金纳米捧状颗粒的光学性质的影响,并给出了单个金纳米棒状颗粒底面和剖面的近场分布图,对于设计实现基于金属微纳结构的纳米光子器件具有一定的指导意义.研究结果表明,不同的入射光偏振方向会激发不同的表面等离子体模式(横向表面等离子体共振和纵向表面等离子体共振),这将影响棒状颗粒的消光谱峰和近场分布.     

金纳米交叉结构的光学性质及传感特性研究

利用时域有限差分法分别模拟计算了X型金纳米结构和L型纳米天线以及由这两种结构所组成的金纳米交叉结构的消光光谱和近场分布,并研究了金纳米交叉结构对周围介质折射率变化的敏感性.研究结果表明,X型金纳米结构在入射光正入射时能激发起偶极共振模式而在斜入射时可以同时激发起偶极和四极共振模式.L型纳米天线的成键和反成键共振模式的产生可以通过改变入射光偏振方向进行控制.此外入射光偏振方向变化时在金纳米交叉结构中都可产生法诺共振效应,由于激发起法诺共振效应,金纳米交叉结构的光谱线型更加精细,传感质量因子可达到12.5,这些结果可指导金纳米交叉结构作为纳米光子器件用于生物传感方面.     

基于周期性亚波长复合单元结构的表面等离子体光开关

本文研究了包括圆环结构、内置纳米棒的空心圆结构和复合结构周期性亚波长孔阵列的增强光透射特性,并证实了在复合结构中的内置纳米棒的空心圆环境的光场局域强度能够被显著地增强。此外,通过调控入射光的偏振方向,复合结构中纳米棒和空心圆的局域表面等离子体共振响应模式会发生相互转换。另外,我们设计了一种新型紧凑无泵浦光干扰并具有双通道的表面等离子体光开关。最后,该结果为表面等离子体光子器件提供了一种新思路,并拓展了微纳结构在光学通信及信息处理领域的应用范围。     

银纳米颗粒的局域表面等离子体共振传感

采用微波法合成银纳米颗粒,通过化学自组装技术将银纳米颗粒吸附在玻璃基片上,制备了银纳米颗粒的局域表面等离子体传感器。在纯水中,紫外可见光消光谱表明局域表面等离子体共振位于428nm处。随外界折射率增加,共振峰发生红移,其折射率灵敏度达到173±6nm/RIU。在350oC温度下退火处理后,改变银颗粒在基片上的形貌,峰位发生约65nm的红移,灵敏度下降约20%。理论分析表明,银纳米颗粒形状和基底的相互作用影响折射率传感的波长响应和灵敏度特性。     

基于非对称纳米棒二聚体阵列的多重表面晶格共振

贵金属纳米颗粒阵列结构中的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系辐射损耗,增大共振品质因子和局域场强,这对多波长相关微纳光子器件的设计具有重要意义,如何实现对多重表面晶格共振的有效操控是实现这些应用的关键。提出采用非对称纳米棒二聚体阵列结构产生和调控多重表面晶格共振。由于纳米棒结构的各向异性,其构成的二聚体结构具有丰富的局域共振响应,并且依赖于二聚体的排列方式,可以进一步调整局域共振,故由非对称纳米棒二聚体阵列可以产生并实现对多重表面晶格共振的有效操控。研究结果表明,由端对端和边对边排列的非对称纳米棒二聚体阵列结构能够激发起不同的表面晶格共振,其共振峰位、品质因子等可以通过改变两个正交方向上的周期实现有效调控,这对基于多重表面晶格共振的微纳光子器件的设计具有重要的应用价值。     

Au纳米颗粒的形状和尺寸对表面等离子体的影响

通过调控Au纳米颗粒的形状和尺寸,研究了Au纳米颗粒的形状和尺寸与表面等离子体之间的关系。通过直流磁控溅射的方法在外延片上溅射Au薄膜,并采用快速热退火和常规热退火两种方式对其进行热退火,制备出Au纳米颗粒。使用不同热退火方式、不同热退火温度及不同Au薄膜厚度来改变Au纳米颗粒的形状和尺寸,并对Au纳米颗粒的表面形貌及它的消光谱进行了分析,对比了不同形貌的Au纳米颗粒对表面等离子体共振特性的影响。实验结果表明,使用普通热退火制备的Au纳米颗粒形状接近球体,而使用快速热退火得到的Au纳米颗粒的形状更接近棒体;随着热退火温度的升高,表面等离子体的共振波长发生红移;随着Au薄膜厚度的增加,表面等离子体的共振波长也发生红移。     

领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究

利用有限元法对领结状金纳米二聚体结构的表面等离激元共振特性进行了探究,研究发现在几何形状保持不变的条件下,二聚体共振波长位移与粒子间距呈e的负指数变化,并且指数衰减系数与粒子大小无关。进一步分析了纳米结构附近电场分布,发现共振条件下单体结构的x轴和y轴电场分布都遵守e的负指数衰减规律,且场强与入射电磁波的偏振方向有关；而受二聚体间表面等离激元耦合因素的影响,二聚体之间的距离对场强的衰减速率有着巨大的影响。最后,对二聚体共振吸收强度进行了研究,发现吸收强度与二聚体距离之间的关系仍为e的负指数函数规律。本研究结果对微距传感、粒子捕获等具有重要的指导意义。     

等臂L形银纳米天线的表面等离子特性研究

利用FDTD方法分析了由银纳米线形成的等臂L形光学共振天线的共振模式。研究了其场增强特性及共振散射谱的变化。L形纳米天线的近场增强特性强烈依赖于入射偏振,入射光偏振方向沿垂直于镜面对称轴方向时有最大一阶共振近场增强;入射光偏振方向沿镜面对称轴方向时有最大的二阶共振近场增强。     

米状银纳米颗粒对局域电场增强的理论模拟

为了提高表面增强拉曼散射技术中基底的增强效果,采用时域有限差分算法从理论上对不同入射光偏振方向下米状银纳米颗粒的电场增强进行了模拟分析,分别研究了单个银纳米颗粒和不同组合的二聚体以及三聚体的形状、间距对局域电场强度的影响,并且详细讨论了导致电场增强的原因。结果表明,当米状银纳米颗粒长度约为300 nm时,应控制其短轴约为36 nm,间距约为2 nm,且入射光偏振方向平行于长轴,此时在颗粒的尖端处均会产生最大电场增强,其中二聚体尖端对尖端情形下增强效果尤为明显。该结论为拉曼基底实验中纳米颗粒的制备提供了一定的理论基础。     

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。     

轴棱锥线聚焦特性对成像系统焦深的影响

利用时域有限差分(FDTD)法模拟了所设计的一种新 型劈裂纳米矩形结构消光光谱、近场增强和电荷分布情 况。研究了在劈裂金属纳米矩形中,Fano共振形成机理、结构参数对Fano共振峰的影响,以 及当入射场 偏振方向不同时在红外波长处形成的消光率同等强度骤增现象。研究表明,当改变周围环境 折射率时,Fano 共振峰有一个非常明显的移动,品质因数FoM可以达到11.8,这种新 型劈裂纳米矩形有很好的传感特性。 入射光沿不同偏振方向穿过劈裂金属纳米矩形时,在特定红外波长处形成同等强度的消光率 增强,对不同 偏振角激光强度形成统一衰减的特性使其在混合偏振角激光的强度衰减等光学方面有着重要 的应用价值。     

基于液晶调制光偏振的荧光量子点显示模式

传统的显示器由于滤色器的存在，有较大的功耗且能量利用率不高。本文提出了一种利用液晶调制紫外光偏振态以实现对受到局域表面等离子体共振影响的荧光量子点光强调制的方法，所设想的显示设备由用于产生局域表面等离子体共振的金属纳米结构、附着于金属纳米结构电场热区的荧光量子点和基于液晶结构的光偏振调制模块组成。对单个像素的情况进行了理论模拟和原理分析，计算了若干金属纳米结构对不同偏振态的紫外光的响应。理论验证了特定金属纳米结构的表面等离子体光强放大效应，通过电子束刻蚀和半导体沉积等技术手段可在光强放大的电场热区植入荧光量子点，受到紫外光偏振态调制的金属表面等离子体产生可控的光强增强或减弱，进而激发或者抑制相应颜色的量子点发出不同颜色的光，使其可以用于显示。提出了一种新颖的显示模式，不同于传统显示，其具有较高的能量利用率和较大的色域，虽然其存在色彩对比度较低、分辨率不够高等问题，但提议确实为人们日常的信息显示提供了一种新的思路和一种潜在可能，相信随着技术的进步和设计结构的优化，这种光偏振态调制受表面等离子体激励的荧光量子点的方法可以在显示以及非显示领域获得应用。     

近场光纤末梢激发厚金属膜表面等离子体

德国慕尼黑大学科学家报道 ,可用近场光纤末梢局部激发厚金属膜表面等离子体。因为等离子体是纵波 ,光偏振控制其在金属表面发射的方向 ,这使研究人员可在有纳米孔的金属膜上控制等离子体。将近场光纤末梢紧靠纳米孔 ,仅当电场向量指向孔时 ,表面等离子体方可到达孔内。用光电二极管在金属膜另一面测量等离子体的再辐射 ,由此探测它是否到达纳米孔。环状设置多个纳米孔 ,仅改变光偏振即可对特定孔进行光选址。实验表明 ,特殊纳米结构金属膜表面等离子体可将光学器件按比例缩小至纳米尺寸。近场光纤末梢激发厚金属膜表面等离子体…     

金纳米球壳结构局域表面等离子体共振调谐特性

理论研究了金纳米球壳结构局域表面等离子体共振(LSPR)的调谐特性。结果表明,对于固定内径的球壳结构,利用杂化效应使得球壳结构可通过改变其厚度实现LSPR峰位的调控,并可保持较窄的谱宽;而对于不同内径的球壳,在LSPR调控过程中,随壳层厚度与球壳内半径比值的减小,吸收光谱在消光光谱中所占比例增大。不仅如此,利用杂化效应进行偶极峰位调控时所能获得的峰位调控范围与球壳内径有关,内径越大,所能获得的偶极峰位调控范围越大。     

光栅辅助超窄带多光谱等离子体共振传感器结构的仿真分析

半峰全宽(FWHM)是影响传感器性能的重要因素,为了提高表面等离子体共振传感器的品质因数,提出了一种光栅辅助超窄带多光谱等离子体共振传感器结构。该结构由周期性交替的SiO₂与Au矩形纳米柱构成,并置于SiO₂/Al₂O₃薄膜层上。利用全矢量有限元法对该结构的传输特性及传感特性进行数值仿真,分析了结构参数及入射光偏振态对FWHM和传感特性的影响。仿真结果表明,在800～1100 nm波长范围内,该传感器的传输谱存在两个由光栅衍射及等离子体共振形成的凹点,相应的FWHM分别为0.35 nm及0.59 nm,折射率灵敏度分别为525.7 nm/RIU、475.7 nm/RIU,品质因数分别为1502.00 RIU^-1和806.27 RIU^-1,在生物检测、药物筛选、膜生物学等领域具有潜在的应用前景。     

纳米银掺杂的液晶/聚合物全息光栅中的表面等离子体共振

报道了纳米银颗粒的局域表面等离子体共振能显著提高全息聚合物分散液晶(H-PDLC)光栅的衍射效率。着重分析了球形纳米银颗粒在PDLC中的表面等离子体共振特性,根据Mie理论,模拟计算了球形纳米银颗粒在PDLC材料中的消光光谱并得出了相应的表面等离子体共振峰值,且该值与用光谱仪测得的材料吸收峰值相近。同时,根据准静态近似理论,模拟了球形纳米银颗粒在特定波长的光照射下的球内外电场分布。证明了球形纳米银颗粒在聚合物分散液晶材料中发生表面等离子体共振,当用与共振峰值相近的激光对材料进行曝光时,可以增强液晶与聚合物的相分离过程,所制备的光栅样品结构更加整齐平滑,从而提高了光栅的衍射效率。     

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。     

长径比对金纳米棒折射率传感灵敏度的影响

利用化学种子生长法制备了多种长径比的金纳米棒,通过监测不同折射率下金纳米棒的局域表面等离子体共振(LSPR)波长移动来研究其折射率传感的灵敏度。实验结果表明,随着纳米棒长径比增加,其折射率传感的灵敏度近似线性地提高。在监测波长范围内,灵敏度从长径比为2.5：1时的216nm/RIU增长至4.2：1时的352nm/RIU。对于长径比为4.2:1的金纳米棒,用离散偶极子近似(DDA)的方法模拟了其折射率传感的灵敏度,与实验结果基本一致。     

低能离子束诱导蓝宝石自组织纳米结构与光学性能研究

针对蓝宝石有序纳米结构的制备,使用微波回旋共振离子源,研究了低能Ar+离子束在不同参数下刻蚀蓝宝石(C向)表面形成的自组织纳米结构及其光学性能。结果表明,当离子束入射能量为1200 e V、束流密度为265μA/cm2时,随着入射角度的增大(5°~40°),样品表面出现点状自组织纳米结构,该结构的有序性较差;当增加角度到45°时,样品表面出现了有序的条纹结构,在45°~70°时,增大离子束入射角度,样品表面沿离子束入射方向出现柱状结构,而在垂直于离子束入射方向,样品表面呈现出有序的条纹结构;随着离子束入射角度的增加,样品表面的纳米条纹结构的特征波长先减小(45°~60°)后逐渐增大(60°~70°),在60°附近,特征波长达到极小值,约为21.1 nm。在70°~75°时,样品表面呈现纵横比较大的纳米点状结构。增加离子束的作用时间,样品表面的纳米结构纵向尺寸增大,有序性增加,但纳米结构横向周期基本不变。有序纳米结构的出现使得样品的透射率得到提升。自组织结构变化是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果。     

基于表面等离子体共振成像的指纹采集

指纹识别技术是方便、可靠、非侵害和价格低廉的生物识别技术。为提高图像的质量,根据表面等离子体共振(SPR)的原理,提出采用表面等离子体共振成像(SPRI)采集指纹图像的方法。介绍了表面等离子体共振成像采集指纹图像的原理、自行组建的表面等离子体共振成像指纹采集系统的结构。采用Kretschmann型棱镜耦合结构激励表面等离子体共振,偏振的平面光经棱镜投射到传感片,发生表面等离子体共振现象。由CCD摄像机采集反射光指纹图像。分别用表面等离子体共振成像方法和传统光学方法采集了同一指纹的图像。两图中主要区域指纹脊和谷的对比度分别为0.2014和0.0516。表面等离子体共振成像方法采集的指纹图像的对比度和清晰度显著提高。