首先在光纤端面设计一种由金光栅-介质-金薄膜构成的复合结构,并研究多种共振模式随介质层厚度的变化及其场分布特点。然后研究限制在金光栅和金薄膜纳米级间距的波导共振模,通过反射谱的变化和谐振模式的电场分布特点研究不同阶次的纳米谐振效应。此外,还仿真计算金光栅的宽度、厚度及周期、中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对纳米谐振腔光谱特性的影响,根据波导模干涉的相位差公式定性分析其谐振频率的变化,并计算获得纳米谐振腔对腔内介质折射率和腔长的灵敏度。最后,搭建微位移平台,验证光纤端面与金薄膜所构成的Fabry-Perot干涉光谱随间距的变化,并提出光纤端面纳米谐振结构的实现方案。

介绍了一种太赫兹波光学调制系统, 该系统首先通过刀片与半导体之间的狭缝实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的耦合, 然后通过改变照射到本征半导体表面的光强用以调控半导体表面的等离子体频率, 使得半导体表面的等离子体频率在有光照和无光照条件下分别大于和小于其上传输的太赫兹表面等离子体波的频率, 从而实现对在半导体表面传输的太赫兹表面等离子体波以及由其耦合出的太赫兹波的强度调控。该调制方法与传统方法相比具有调控频带宽、速度快、成本低、常温工作等优点, 可用于太赫兹波通讯。仿真和实验结果进一步验证了该调制系统应用的可行性。

为了解决传统的强度检测型波导激励的表面等离子体共振传感器灵敏度不高的缺点, 研究平面波导激励的介质膜-金属-被测介质的可激发修正的长程表面等离子体波结构。采用离子交换的方法制备折射率可用费米函数拟合的平面波导, 研究了离子交换时间对平面波导的模数及等效折射率等特性的影响, 为激励波导的优化设计提供有效依据。采用制备的平面波导激励介质膜-金属-被测介质的非对称结构, 研究金属材质、介质膜厚和金属膜厚等因素对修正的长程表面等离子体波特性的影响, 对被测溶液的折射率进行检测。实验结果表明, 其灵敏度为传统的强度检测型表面等离子体共振传感器的6倍, 并且具有较好的线性关系。

本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明: SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同, 由于SPP波的近场属性, 经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象, 但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光; 在近场衍射情况下, 其情况与自由空间光衍射行为类似, 对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光; 而当金属光栅周期大于SPP波长时, 高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。

基于含石墨烯的双/三层介质结构中的光学色散方程,研究了覆层和基底层材料对石墨烯表面等离子体波横电(TE)模的影响。计算结果表明,近红外波段内,石墨烯表面等离子体波TE模的性质对覆层和基底层介电常数的差值极其敏感。当覆层和基底层介电常数出现微小差异时,TE模可以进行传输。随着两介电常数差值的增大,TE模的有效折射率显著增大,甚至超过覆层折射率,而传播损耗不断减小。对于三层介质结构,相邻两介质分界面间添加单层石墨烯形成了平板波导结构,研究该结构发现,当传导层和基底层介电常数相近时,其夹层的石墨烯对波导TE模的调控尤其显著,这种调控来源于电磁波耦合到石墨烯形成的表面等离子体波TE模。这些结果为设计调制器、检测器和过滤器等石墨烯表面等离子体波导器件提供了理论支持。

提出了一种工作于太赫兹波段的、基于半圆柱形“不平坦”InSb基底结构的混合等离子体波导.分析了半导体材料InSb的相对介电常量随工作频率的变化特性, 重点研究了该混合波导以及两种不同形变结构的有效模场面积、传播长度、品质因数、能量分布等随波导工作频率、波导尺寸的变化情况.结果表明, 本文提出的“不平坦”基底结构波导可以达到与传统结构几乎相同的传播长度, 有效模场面积较传统结构减小了一个数量级以上, 具有非常强的模场约束性, 适合于太赫兹频段高密度集成电路中的应用.

为了掌握长程表面等离子体波的共振角度、共振峰半峰全宽以及衰减峰深度等重要特性, 采用棱镜耦合激发介质-金属薄膜-介质对称结构中的长程表面等离子体波, 研究了金属膜材料、厚度、介质折射率及介质厚度等参量变化时对长程表面等离子体波特性的影响。结果表明, 实验中激发的长程表面等离子体波的衰减峰半峰全宽比传统的窄1~2个数量级;当介质膜厚度为500nm和1300nm时, 激发的表面等离子体波的衰减深度只有薄膜厚度为700nm和1000nm时的1/2左右;随着介质膜厚度的增加, 半峰全宽减小, 金属膜越薄, 衰减深度越深, 衰减峰的半峰全宽值越小;介质膜折射率的改变对于半峰全宽的影响不明显;金属膜参量的变化将改变共振峰的位置。该研究为长程表面等离子体波的激发及应用于传感领域提供了有效依据, 有利于其在波导和生物传感等方面的应用。

针对近红外(800 nm)及其二倍频(400 nm)飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究，分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响，并利用中心波长为400 nm 的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm 的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型，很好地解释了实验现象，对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。

采用严格耦合波理论求解了不同填充比的金属光栅与金属平面覆盖介质光栅在角度调制下的共振衰减反射谱，以及它们在表面等离子体共振时的空间场分布，并对结果进行了对比分析。 通过数值计算分析了金属表面等离子体波(Surface plasmon polariton, SPP)波矢的有效折射率Neff与光栅填充比的关系，结果表明对于Au金属光栅结构，SPP的Neff随着光栅填充比增加并无明显 变化；而对于金属平面覆盖介质光栅结构，SPP的Neff随着介质光栅填充比的增大单调递增。

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振（SPR）传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层，构成了性能独特的光电复合薄膜，起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用，进而控制共振效应，为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上，研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明，该传感器在1.335~1.392折射率范围内，随着待测液体折射率的增大，SPR共振光谱向长波方向偏移，且灵敏度达到2263.1 nm/RIU，与基于纤芯金膜环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍，能够更好地满足环境折射率检测的需求。