工型金属结构单元构成的超材料具有异常的电磁性质。利用时域有限差分法对工型结构超材料进行模拟研究后发现：当结构对称时, 出现了3个模；当结构的对称性破缺和尺寸增加时, 分别出现了1个新模, 结构中存在5个特殊的反射模。建立理论模型, 结合近场分布分析了这5个反射模形成的物理原因, 认为：表面等离子体在工型结构单元内不同位置的共振耦合导致了这5个特殊的反射模；当结构的对称性破缺时, 出现新的共振模；当结构尺度增加时, 出现了高阶共振模。
表面光学 表面等离子体 电磁诱导反射 共振模耦合 超材料
在光学集成中，金属表面的等离子体传输控制非常重要。应用表面波全息法设计结构控制表面等离子体波耦合到自由空间中的光波。模拟金属表面等离子波束与自由空间中目标光束的标量叠加，得到干涉光强。在光强极大值的地方刻蚀凹槽，获得凹槽结构。当表面等离子波入射到设计的结构中，凹槽散射等离子体波并在自由空间中进行叠加，得到所需的光束。利用此原理，在金属表面设计了两个结构，将传输的等离子体波耦合到自由空间中，汇聚于指定的一点或者两点。利用时域有限差分法模拟验证了此原理的可行性。这种耦合方式可以作为解决表面等离子体集成光路中探测问题的一种方案，将传输的表面等离子体信号耦合到自由空间，然后利用传统光电探测设备探测。
表面光学 表面等离子体 光学集成 表面波全息法 时域有限差分法 干涉 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 042401
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Physics, Guizhou University, Guiyang 550025, China
2 Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China
Surface plasmonic polariton (SPP) waves with complicated wavefronts have important implications in nanophotonic sciences and applications. The surface electromagnetic wave holography method is applied to designed grooves on a metal surface for coupling a plane wave in free space to complicated wavefront SPP waves. The grooves illuminated by the plane wave incident from free space serve as secondary SPP waves sources, that radiate cylindrical SPP waves. New controllable wavefronts originate from these secondary SPP waves interfering with each other, based on the Huygens–Fresnel principle. Several applications of the method are demonstrated, such as converting coupling waves in free space into focusing SPP waves on a metal surface.
050.1970 Diffractive optics 240.6680 Surface plasmons 310.6628 Subwavelength structures,nanostructures Chinese Optics Letters
2015, 13(2): 020501
在亚波长光学集成中，波导中表面等离子体传输模式的激发是一个重要的问题。利用表面全息法设计结构，并对表面等离子体波进行整形。将平面等离子体波匹配到双线波导中的对称和反对称模式，从而实现波导中两种模式的有效激发。利用时域有限差分法对设计结构进行验证，发现双线波导中两种模式能够有效激发。对结构参数进行优化，对称与反对称模式的激发效率分别达到8.7%和10.8%。
集成光学 表面等离子体 亚波长结构 等离子体波导 光学学报
2015, 35(11): 1113003
由于光在不同长度的波导中传输时出现不同的相位延迟，特定的波导阵列可以对光波波阵面进行调制。通过理论推导发现左右两边带有凸出三角形的波导阵列结构可以实现光波场的聚焦。利用时域有限差分法模拟了左右两边带有凸出三角形的波导阵列对光波的聚焦情况，找出在波导厚度h=6000 nm，波导长度差d=100 nm，波导数目m=10，波导宽度w=100 nm时聚焦效果最好，同时通过研究不同参数对该结构的聚焦特性的影响，找出该结构具有利用价值的性质。此外，通过模拟发现前凹三角形金属波导阵列结构在波导宽度w2=80 nm，中央波导宽度w1=150 nm，波导长度差d=200 nm，波导厚度h=4400 nm，波导数目m=8时能实现光波场的分束。
光学器件 聚焦 分束 波导阵列 时域差分法 金属波导结构 激光与光电子学进展
2013, 50(12): 122301
亚波长金属结构的光学性质已成为光学研究的热点之一。应用三维时域有限差分(3D-FDTD)法模拟研究了利用三维金属纳米天线实现的金属薄膜上亚波长狭缝的光波强透射。分别在金属膜前后放置金属天线，计算光波透过金属薄膜上亚波长狭缝的透射率。通过改变小孔和天线的相对位置，发现当天线和小孔共振模的阶数同为二阶和三阶时，相位匹配，能相互耦合，形成两个强透射峰。当天线放置在狭缝前方和后方，天线共振可以将能量耦合进入和耦合出小孔，都能实现强透射。
纳米天线 金属亚波长结构 表面等离子体 金属薄膜 激光与光电子学进展
2012, 49(9): 091601
由于光波在不同长度的波导中传输产生的相位延迟不同，特定的波导阵列可以对光波波阵面进行调制。理论推导发现三角形波导阵列可以实现聚焦，得出凸三角形波导阵列聚焦高度和焦深。利用时域有限差分法模拟了凸三角形波导阵列对光波的聚焦情况，通过比较发现模拟和理论推导结果非常吻合。同时模拟发现凹三角形波导阵列结构可以实现光的分束。
光通信 聚焦和分束 时域有限差分方法 波导阵列 亚波长金属结构
贵州大学 贵州省光电子技术与应用重点实验室,贵阳 550025
利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。
亚波长金属结构 增强透射 局域表面等离子体 波导共振 subwavelength metallic structure enhanced transmission localized surface plasmon polaritons waveguide resonance 强激光与粒子束
2009, 21(11): 1661
