根据ITO/Au纳米核壳二聚体粒子在生物医学领域的应用合理性,设计了一种实时检测生物液体的核壳二聚体探针消光式传感器; 由偶极子理论推导出输出波长与外界环境折射率关系; 利用MATLAB设计ITO/Au纳米核壳二聚体粒子结构; 采用软件DDSCAT7.3结合离散偶极近似法,利用二聚体有效半径模拟计算了300~950nm可见光到红外光波段不同核壳比、二聚体间距、以及不同介质折射率的消光光谱; 根据传感芯片折射率与偶极共振、耦合八级共振的响应关系得出ITO/Au二聚体的折射率灵敏特性。与传统Ag/Au核壳纳米粒子相比,ITO/Au纳米核壳二聚体结构引入了可作为传感芯片灵敏性自参考参数的耦合八级共振峰,同时ITO/Au二聚体结构的折射率灵敏度可达到419nm/RIU。这些工作及其结果对制作消光式传感器具有重要的意义。

为提高传统GaN基LED的发光效率, 提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型GaN-LED。该增强型LED包含覆盖在p型GaN光栅槽内的低折射率SiO2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理, 利用基于有限元法的模拟软件“COMSOLTM-RF Module”对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明, 在周期p=280 nm, 占空比f=0.5, SiO2层的厚度d■=25 nm, 银层的厚度dAg=15 nm, ITO层的厚度dITO=30 nm时, 该结构在可见光范围内具有较高的传输效率, 其零阶透射率高达0.716, 零阶反射率为0.224, -1阶透射率峰值0.183, 且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高GaN基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。

构建了一种含双支节结构的石墨烯/介质/石墨烯亚波长波导结构。该结构将支节结构的选频特性和石墨烯的电可调特性相结合,能够实现在可见光到中红外范围内对入射光光强的动态调制。表面等离激元将光能量局限在纳米尺度的介质狭缝中,使调制器突破衍射极限,并且增强了石墨烯与光的相互作用。利用有限元法分析了石墨烯的化学势、支节长度以及介质材料对波导结构输出光强的影响。仿真结果表明:当入射波长为1550 nm、支节长度为315 nm、化学势由0.80 eV下降到0.78 eV时,消光比可达到6.77 dB。与传统调制器相比,所提光电调制器能够在保证高消光比的同时具有较高的调制效率,并且体积小、结构简单紧凑,可满足大规模集成应用的要求。

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构, 利用有限元法对该结构进行了数值仿真。 COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。 在COMSOL Multiphysics软件平台上, 构建该结构的三维模型, 使用模态分析和频域分析模块, 研究了其电场分布、 归一化模式面积、 传输长度、 增益阈值、 品质因数。 结果表明: 在工作波长为370 nm时, 所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平, 同时保持大的传输长度。 提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比, 波导特性更好。 将该结构应用于纳米激光器, 由基模和纵模反映出, 激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。 在波导特性良好的情况下, 该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。 综合考虑, 选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm, 此时有效模式面积为0.005 1λ２, 传输长度为1 668 nm, 增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。 最后, 在最优尺寸下, 通过仿真得到了该结构的发射光谱, 其发射波长为360 nm, 输出电能比输入电能增强了3 100倍。 该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持, 在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构, 基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1550 nm时, 通过优化参数, 其有效模场面积达到0.00193 λ2, 传输长度为37.7 μm, 质量因数为4853, 该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比, 具有更大的质量因数, 更强的光场限制能力, 波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算，并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明，通过对参数进行调整，激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下，增益阈值可达0.47 μm-1，传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输，在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景，可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.

设计了一种带圆角的金属脊和低折射率空气间隙的新型混合表面等离子体波导结构。基于有限元法建立数学模型, 在工作波长为489 nm的可见光波段研究了该波导的电场分布、归一化模式面积、传输距离、品质因子和珀塞尔因子随金属脊曲率半径的变化情况。结果表明, 调整结构参数可使波导实现超深亚波长的光场限制, 同时获得较大的SPPs辐射增强倍数。在最优几何参数(纳米线半径为95 nm, 金属脊曲率半径为20 nm)下, 波导有效模式面积为0.0037λ2, 品质因子为268, 珀塞尔因子为65, 增益阈值为 0.2768 μm-1, 其表征激光增强值为69800。该激光器谐振腔具有超强的局域能力和激光增强能力, 可以实现超深亚波长的低阈值激射。

为了提高GaN基LED的发光效率, 设计了一种新型LED模型, 该模型主要包括Ag光栅, 氧化铟锡过渡层和P-GaN光栅。首先阐述了利用该结构激发表面等离子体从而改善LED发光特性的原理, 讨论了该模型的加工工艺与制作过程。基于COMSOL软件, 利用有限元法对本文提出的LED模型进行了仿真分析, 得出该模型在不同结构参数下, 归一化辐射功率与归一化损耗功率随波长的变化规律以及电场分布情况。仿真结果表明, 在ITO过渡层厚度为55 nm, 周期为270 nm, 占空比为0.5时, 所设计的GaN基LED模型的发光强度较普通LED提高近30倍, 这一结果为研制高性能GaN基LED提供了可靠基础。

设计了一种双通道表面等离子体共振光纤传感器, 分析了Au、Cu两种材料对波长调制型表面等离子体共振光纤传感器的影响, 优化了金属厚度并且选取优化后的金属厚度dAu=47 nm, dCu=53 nm进行数值仿真分析。结果表明, 金属层为金的通道比金属层为铜的通道灵敏度高,但是金属层为铜的通道比金属层为金的通道检测精度高4倍; 金属层为金的传感通道适合检测折射率较低的物质, 而金属层为铜的传感通道适合检测折射率较高的物质, 该传感器的提出扩大了单一传感器的应用范围, 并且文中提出的传感器比传统的SPR传感器检测精度高, 灵敏度和单通道传感器一样。

设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构，基于有限元法对该波导在工作波长为1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明，通过最优参数设计，有效模场面积可达1.5×10-4λ2，品质因子为135，增益系数为1286 cm-1，且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比，所设计的结构具有更强的光场限制能力，可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。