“表面等离激元光子学与技术”专题 前言

    

    

等离激元光子学(Plasmonics)是新世纪以来光学领域最为活跃的研究前沿之一,是当前纳米光子学研究的重要部分。表面等离激元(SP)具有亚波长传播和局域场增强的特性,因而受到人们的青睐,是微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。

随着微纳加工技术的不断进步,人们基于人工微纳结构的等离激元设计已经在纳米光子回路、纳米激光器、超构材料与超表面、增强拉曼与非线性、增强光吸收和高灵敏探测等方面取得突出的成果。等离激元光子学在信息、能源、乃至生物医学领域具有巨大的应用潜力。

表面等离激元的传播操控:从波束调制到近场全息

李涛,陈绩,祝世宁

南京大学固体微结构物理国家重点实验室;现代工程与应用科学学院,人工微结构科学与技术协同创新中心

[摘要]表面等离激元是一种存在金属与介质界面的电磁模式, 具有亚波长传播和局域场增强的特性, 因而受到人们的青睐, 作为在微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。随着人们对表面等离激元认识的不断深入和对微纳光子器件应用需求的增加, 如何在近场范围内精确调控等离激元波的传播并实现特定的场强分布成为人们关注的热点。综述人们通过微纳结构对等离激元波进行操控所发展的新原理和新方法, 以及对波束性质和近场分布调控的研究进展; 重点介绍包括艾里波束、无衍射准直波束、角向贝塞尔波束在内的各类特殊等离激元波束的基本特性, 产生与调控的实现, 以及近年来拓展的近场全息技术; 并进一步探讨表面等离激元光场调控在新型微纳光子学器件中的可能应用。

表面等离激元热电子超快动力学研究进展

单杭永,祖帅,方哲宇

北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室

[摘要]表面等离激元因具有能突破光学衍射极限、表面局域性和近场增强等奇特的光学性质,被广泛应用于光伏、光催化和光电探测等研究领域。将具有高效光捕获特性的表面等离激元与传统半导体器件相结合,可以极大地提高传统半导体器件的效率,具有重要的应用价值。由局域表面等离激元弛豫产生的热电子是将太阳能转化为电能或化学能的关键,因此从微观上研究表面等离激元热电子的产生及弛豫过程对于设计高效率表面等离激元纳米光电器件具有重要意义。综述了表面等离激元热电子的激发及其在金属-半导体材料界面处的超快动力学过程的研究进展,分析了目前存在的主要问题并对其未来的发展前景进行了展望。

光纤端面集成金属光子结构传感器

刘飞飞,张新平

北京工业大学应用数理学院信息光电子技术研究所

[摘要]综述了近年来基于光纤端面集成金属光子结构传感器的发展状况。按照等离激元共振方式和传感器探测原理的不同, 将其分为基于表面等离激元共振(SPR)的光纤传感器、基于局域化表面等离激元共振(LSPR)的光纤传感器、基于杂化型等离激元的光纤传感器以及基于表面增强拉曼散射(SERS)效应的光纤传感器。对各类传感器的制备方法、光物理学原理及探测性能进行了概括、对比和总结。

介质加载石墨烯等离子波导传输特性分析

王清晨,宋梁

上海理工大学;上海理工大学,光电信息与计算机工程学院

[摘要]为了实现模式场约束并有效的提高波导的传输距离,在对传统介质加载等离子波导结构传输特性分析的基础上,提出了介质加载石墨烯等离子波导。在通信波长λ0为1.55 um对该波导结构的模场分布及传输特性随几何参数的变化关系做了研究。通过仿真结果得出介质加载石墨烯等离子波导不仅能够实现模式限制,还能够长距离传输电磁波。在费米能级为0.7 eV,脊宽度w和脊高度h分别为1000 nm 时,其模式宽度达到最小值1.55 um,传播长度达到43.47 mm,显然这种介质加载石墨烯等离子波导不仅可以满足波导设计的要求,而且为实现纳米器件的长距离传输提供了可能。

光纤表面等离子体共振传感技术的研究

王文华,熊正烨,师文庆,黄江,田秀云,费贤翔,谢玉萍

广东海洋大学电子与信息工程学院

[摘要]光纤表面等离子体共振(SPR)传感是光纤传感领域的研究热点之一。详细论述了光纤SPR传感器的各种结构和优点; 分析了金属膜层的膜材料和膜层厚度、镀膜光纤长度、双层金属膜的组合和厚度比例等参数对光纤SPR传感器性能的影响; 概述了光纤SPR传感器的研究进展及应用, 包括多模光纤SPR传感器、单模光纤SPR传感器、光纤布拉格光栅SPR传感器、倾斜光纤光栅SPR传感器、长周期光纤光栅SPR传感器、多通道光纤SPR传感器、光子晶体光纤SPR传感器和纳米金属颗粒光纤SPR传感器; 给出了光纤SPR传感器的研究重点与发展方向。

复式晶格二维石墨烯等离子激元晶体的能带结构与态密度

邱平平,邱伟彬,林志立,陈厚波,任骏波,王加贤,阚强,潘教青

华侨大学信息科学与工程学院;中国科学院半导体研究所

[摘要]提出了一种复式晶格二维石墨烯等离子激元晶体结构, 该结构由包含4个石墨烯纳米盘的原胞周期性排列组成。通过有限元法迭代求解本征频率, 得到了石墨烯等离子激元晶体的能带结构和态密度。数值仿真结果表明, 所提出的结构存在完全光子带隙, 带隙宽度可达5.7 THz, 且其位置和带宽可以通过改变石墨烯的化学势来调谐。该结构可以应用在高密度表面等离子激元集成回路和等离激元片内交叉互联技术中。

表面等离子体激元耦合到自由空间中光束的研究

尹娟,陈跃刚

贵州大学物理学院

[摘要]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。

银纳米光栅增加晶体硅薄膜太阳能电池光吸收的研究

卢辉东,铁生年,刘杰

青海大学新能源光伏产业研究中心

[摘要]为了提高晶体硅(c-Si)薄膜太阳能电池对光的俘获能力,提出了一种可以显著增强光吸收的电池结构,该结构由减反射层、有源层和背反射镜组成。基于有效折射率调制的基本原则和严格耦合波理论,通过数值计算与仿真讨论了不同结构层的光学特性,计算了减反射层的透射率、背反射镜的反射率和经过优化后的c-Si薄膜太阳能电池的吸收率。在AM1.5G(地表面上接受到的以48°入射的太阳光谱,包含漫反射)照射下,当入射角小于75°,有源层的厚度为20 μm时,太阳能电池在400~850 nm、850~1000 nm、1000~1100 nm波长范围内平均吸收率分别为85.7%、49%、14%,有效弥补了c-Si薄膜太阳能电池近红外波段吸收不足的缺陷。

基于黄金分割比的长程介质加载表面等离子激元波导传输特性研究

邵晓珍,张冠茂,王琼,胡南

兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所

[摘要]提出了一种基于黄金分割比的新型长程介质加载表面等离子激元波导(LR-DLSPPW)结构,在通信波长λ0=1.55 μm情形下,运用有限元法对这种波导基模的归一化电场分布、模式有效折射率、衰减常数、传播长度、模式宽度、品质因数和耦合长度等传输特性参数进行了仿真分析计算。结果表明,与不具有黄金分割比的类似波导相比,基于黄金分割比的LR-DLSPPW具有较长的传播长度1.36 mm和较小的模式宽度1.35 μm;另一方面,当介质脊面积保持为0.9 μm2不变且介质脊高宽比值取为黄金分割比时,其品质因数会出现一个超过6.15×105的最大值。此外,当相邻波导之间的间隔超过3 μm时,相邻波导间的串扰可被忽略。显然,这种基于黄金分割比的新型波导结构能够很好地应用于高密度光子集成回路的设计中。

双层半圆介质加载表面等离子激元波导的传输特性研究

王琼,邵晓珍,张冠茂,胡南

兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所

[摘要]提出了一种双层半圆介质加载表面等离子激元波导新结构,并利用有限元方法对该新型波导结构在工作波长1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析,得到了波导传播特性的主要参数。结果表明:在波导总面积保持不变的情形下,当双层半圆介质的折射率分别取为n1=1.4和n2=1.473时,波导的传播特性最佳;在此折射率参数基础上,波导的内外介质半径比r1/r2为0.5时,波导的传播长度最大、衰减系数最小并且模式面积和品质因数的取值都非常理想,可以获得最优的波导传输效果。

基于纳米金属光栅的透射光谱调制器

沈发付,崔杰,孙楠凌,叶志成

上海交通大学电子工程系TFT-LCD 关键材料及技术国家工程实验室;昆山龙腾光电有限公司

[摘要]纳米金属光栅上的表面等离子体共振(SPR)对临近材料折射率变化敏感,因此通过改变临近材料折射率,可以实现纳米金属光栅透射光谱的颜色调制进而用于显示器件,该调制器具有结构简单、色度和对比度高等特点。通过仿真设计实现了红绿蓝三个子像素的透射彩色显示。实验制备了周期为520 nm、铝厚度为50 nm 的双层金属光栅,并通过改变光栅临近材料折射率,实现了空气中为绿色亮态显示、蔗糖溶液中为暗态显示的效果,明暗对比度达到122。从理论和实验两方面证明了基于金属光栅结构的彩色显示和亮度调节的可行性,为未来电浸润显示器件提供了新的设计方案。

基于石墨烯-金属复合结构的光学调制器研究进展

刘伟光,胡滨,李彪,刘娟,王涌天

北京理工大学光电学院

[摘要]由于衍射极限的存在,在亚波长尺度实现对光的调制一直是光学研究的难点。近年来,随着微加工技术的进步,基于表面等离子体和纳米天线的金属亚波长结构光调制器件有望成为解决这一难题的有效途径之一,然而该类光调制器件目前还很难实现外部调制。石墨烯是近年来被广泛研究的一种新型材料,其独特的二维蜂巢晶格和能带结构,使其具有外部可调的光学性质,因此,有望借助石墨烯材料实现金属亚波长结构光调制器的外部调制。主要介绍了结合石墨烯和金属微纳结构的光调制器的最新研究进展。

非对称共振腔结构的可调等离子体诱导透明效应

孙林,王小赛,梁修业,刘诚,王继成

江南大学理学院

[摘要]设计了一种可调的等离子体诱导透明(PIT)效应的双槽谐振器的金属-绝缘体-金属(MIM)表面等离子体波导结构。利用微腔共振模式实现对表面等离子体在波导中传输操控。分别改变槽的长度,两槽之间的距离和槽填充材料的介电常数实现特定滤波效应,结合电场分布分析表面等离子体在波导中共振产生的电磁诱导透明现象,并设计动态可调的等离子体诱导透明效应器件。利用有限元法(FEM)对设计进行数值模拟。

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