南京邮电大学电子与光学工程学院、 柔性电子(未来技术)学院, 江苏 南京 210023
基于金属-电介质-金属(MDM)波导侧向耦合倾斜半环形谐振腔结构, 提出了一种结构紧凑且具有高灵敏度响应的折射率传感器模型。 引入与水平方向成70°角倾斜分布的半环腔, 可以有效地打破波导耦合谐振腔结构的对称型, 激发出更多的谐振模式。 采用有限元法计算出了含金属挡板MDM波导结构耦合有效半径为185 nm的倾斜半环腔结构的透射谱线, 三个具有非对称Fano线型的共振透射峰分别出现在594, 868及1 734 nm的波长位置。 透射峰值对应的模场分布揭示了三个透射峰分别对应于半环腔中的三阶、 二阶和一阶谐振模式, 记为FR3, FR2及FR1。 基于半环谐振腔内的1～3阶窄带谐振模与波导内金属挡板产生的宽带反射模之间的耦合干涉效应解释了透射谱线中的非对称Fano透射峰的形成机理。 同时基于半环腔中的类FP谐振条件推出了折射率传感灵敏度的近似解析计算公式, 揭示了折射率传感灵敏度近似与腔长L呈正比关系, 与谐振阶次m成反比关系的规律。 通过改变介质层中的折射率参数, 得到了透射峰FR3, FR2及FR1的折射率传感响应灵敏度分别为550, 840及1 724 nm·RIU-1。 最后在保持曲率半径不变的前提下, 延伸半环腔的弧长构建了开口角为π/2的开口环形腔结构, 实现了腔长L的1.5倍增长。 数值计算表明开口环形腔耦合MDM波导结构中的三重透射峰折射率传感灵敏度进一步提升到821, 1 250及2 517 nm·RIU-1, 相对半环腔结构均近似实现了1.5倍的提升。 数值结果进一步验证了近似解析公式的有效性。 研究结果为实现结构紧凑的高灵敏度折射率传感器设计提供了理论基础。
表面等离激元 MDM波导 Fano谐振 开口环形谐振腔 Surface plasmons polaritons Metal-dielectric-metal waveguides Fano resonance Split-ring cavity 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1746
光子学报
2023, 52(10): 1052415
Yuxing Han 1,2,3Hongchao Cao 1,3,6Fanyu Kong 1,3,6Yunxia Jin 1,3,4,6,*Jianda Shao 1,3,4,5,6
Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory of Thin Film Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
3 Key Laboratory of Materials for High Power Laser, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
4 CAS Center for Excellence in Ultra-Intense Laser Science, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
5 Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou, China
6 China-Russian Belt and Road Joint Laboratory on Laser Science, Shanghai, China
Maximizing the energy-loading performance of gratings is a universal theme in high-energy pulse compression. However, sporadic grating designs strongly restrict the development of high-power laser engineering. This study proposes an all- and mixed-dielectric grating design paradigm for Nd:glass-based pulse compressors. The solution regions are classified according to the line density. High diffraction efficiency solutions are described in more detail based on the dispersion amount and incident angle. Moreover, an energy scaling factor of 7.09 times larger than that of the National Ignition Facility’s Advanced Radiographic Capability (NIF-ARC) is obtained by taking advantage of the low electric field intensity at transverse magnetic polarization and a small incident angle. These results make a pioneering contribution to facilitate future 20–50-petawatt-class ultrafast laser systems.
all-dielectric grating high-peak-power laser large deviation angle Littrow configuration mixed metal-dielectric grating High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(5): 05000e60
吉首大学物理与机电工程学院, 湖南 吉首 416000
采用数值模拟和理论分析的方法探究了内嵌金属棒圆环谐振腔耦合波导系统中的选频特性及传感特性。金属棒位置的调节可使系统的透射光谱呈现周期性变化, 也可为谐振模式的调控提供新的自由度。另外, 系统的灵敏度和品质因数分别达到1 627.5 nm/RIU和37.893 5。研究结果可为高集成度的光开关、传感器、滤波器等器件的研制提供理论基础。
金属-介质 灵敏度 传感 选频 metal-dielectric sensitivity sensing frequency selection
1 南京邮电大学电子与光学工程学院, 微电子学院, 江苏 南京 210023
2 南京邮电大学通达学院基础教学部, 江苏 扬州 225127
理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基(W/Al2O3)多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。
薄膜 金属/介质多层薄膜 传输矩阵方法 遗传算法 太阳能光热转换 太阳光聚光比 光学学报
2020, 40(14): 1431001
兰州大学信息科学与工程学院光电子与电磁信息研究所, 甘肃 兰州 730000
基于表面等离激元提出一种由半圆环谐振空腔、挡板及直波导构成的金属-介质-金属波导结构。当入射光波进入该波导结构时,半圆环谐振腔形成两个较窄的离散态与金属挡板形成较宽的连续态发生干涉效应,并形成两个尖锐非对称的共振谱,即两种模式的Fano共振。运用耦合模式理论和有限元分析方法对结构的传输谱特性进行数值仿真分析,研究结构参数和介质折射率参数对传输品质因数和敏感度特性的影响。通过对结构参数进行优化分析,发现可通过改变结构参数对系统的性能进行灵活的调节和优化,并得到两个模式下的品质因数分别为3.05×10 5和4.59×10 5,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1160 nm/RIU(RIU为折射率单元)。这种灵活的双重Fano共振结构在纳米生物传感器、非线性光学和慢光研究中具有一定的应用价值。
集成光学 金属-介质-金属波导 Fano共振 半圆环共振腔 品质因数 传感器 表面等离激元 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 131301
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024
本文提出一种大尺度的金属-电介质复合微纳结构(银-硅结构)，用于提高荧光生物检测的灵敏度及解决荧光物质距离结构远场范围时荧光增强的近场局限。这种大尺度的金属-电介质复合微纳结构与之前的金属-电介质复合微纳结构不同，其通过光的散射和干涉实现了荧光物质距离结构远场范围时的荧光增强。在本文中，通过采用时域有限差分法，主要从荧光激发和荧光发射两个过程研究银-硅结构。结果表明，在激发过程中，银-硅结构的荧光强度高于玻璃结构且位于银-硅结构两柱之间的狭缝中的电场分布比金属结构(银结构)更均匀，因此在银-硅结构中可以实现荧光增强，而且分子运动行为的检测更准确。在发射过程中，当荧光纳米粒子距离结构远场范围内时，与玻璃相比，银-硅结构可以实现更好的荧光增强效果。利用银-硅结构实现荧光增强的机理是光的散射和干涉，荧光被银膜向上散射，同时，结构两侧的银/硅柱也散射一部分荧光，荧光相互干涉传播至远场实现荧光增强。此外，银-硅结构易于制备和集成。因此，其可以很好地应用于生物传感领域。
荧光增强 金属-电介质结构 远场 生物传感 fluorescence enhancement metal-dielectric structure far-field biosensing
1 苏州大学 物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006
2 深圳光启高等理工研究院, 广东 深圳 518000
3 深圳光启尖端技术有限责任公司, 广东 深圳 518000
4 超材料电磁调制技术国家重点实验室, 广东 深圳 518000
基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时，横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆，而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线，这是由表面等离激元诱导的非局域效应引起的.利用该多层膜结构在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出巨大差异这一特性，提出了三种偏振分光器，其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分光器.这些结果有望在偏振选择吸收体以及集成光子器件中有潜在应用.
非局域效应 偏振分光器 零折射率材料 金属-电介质复合材料 nonlocality polarization beam splitters zero-index media metal-dielectric composites 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04445
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。
测量 金属-电介质-金属波导 Fano共振 单挡板 级联结构 差动传感
