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光学异常透射研究进展

物理学进展 2016年第4期36卷 118-127页

作者：张鑫刘海涛天津职业技术师范大学理学院天津300222 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所光学信息技术科学教育部重点实验室天津市300071

光学异常透射(extraordinary optical transmission,EOT)现象于1998年首次报道,表现为当光通过亚波长金属孔阵列时,得到的透射率在特定波长位置会比经典的小孔透射理论预言的数值高若干个数量级。该现象首次显示了金属亚波长结构中表面... 详细信息

光学异常透射(extraordinary optical transmission,EOT)现象于1998年首次报道,表现为当光通过亚波长金属孔阵列时,得到的透射率在特定波长位置会比经典的小孔透射理论预言的数值高若干个数量级。该现象首次显示了金属亚波长结构中表面波引起的异常光学效应,是表面等离激元光学(plasmonics)进入活跃发展期的一个标志性事件。本文将从产生机理和相关器件应用两方面,对EOT的研究进展进行简要阐述。首先介绍EOT产生机理的宏观Bloch模式解释和微观表面波解释,以及这两种解释的最终统一;然后介绍EOT在传感、纳米偏光器、滤波、光开关和分子光谱增强等领域的应用;最后是对EOT相关研究的展望。

关键词：光学异常透射金属亚波长结构阵列表面等离激元准柱面波复合波表面Bloch 模式传感纳米偏光器滤波光开关光谱增强

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光学异常透射与特殊弯曲光束调控研究

光学异常透射与特殊弯曲光束调控研究

作者：聂俊英陕西师范大学

学位级别：硕士

表面等离激元(surface plasmon, SP)是电磁波与金属表面自由电子相互作用时产生的一种电磁振荡模式,因其新颖的光学特性获得了广泛关注。表面等离激元对金属微纳阵列结构的形状、尺寸、周围介质及纳米结构的排列方式非常敏感,因此,可以... 详细信息

表面等离激元(surface plasmon, SP)是电磁波与金属表面自由电子相互作用时产生的一种电磁振荡模式,因其新颖的光学特性获得了广泛关注。表面等离激元对金属微纳阵列结构的形状、尺寸、周围介质及纳米结构的排列方式非常敏感,因此,可以通过调整上述影响因素来调控纳米结构的表面等离激元,使其能够运用到更多的研究领域。自周期性亚波长孔洞阵列金属薄膜的光学异常透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象被发现以来,其物理机理及应用研究不断取得突破,并随着SPs理论研究的逐步深入及微加工技术的不断进步,表面等离激元亚波长光学这一新兴学科也逐渐形成,这也使得SPPs在表面增强拉曼、光纤传感等领域有着巨大的应用潜力。此外,随着国际研究者对纳米全光集成电路研究的不断深入,制作具有特定功能、复杂的等离子体集成电路逐渐成为一种发展趋势,而对于在空间传播的表面等离激元光束的应用和光束轨迹多样性的要求也越来越高。本文就金属微纳结构的光学异常透射和特殊弯曲光束调控进行研究,具体内容及结果如下：(1)设计了多层膜金属狭缝阵列结构,并利用有限元方法研究了该阵列结构的光学异常透射特性,结果表明,与传统的单层膜金属狭缝阵列相比,多层膜金属狭缝阵列可以在透射光谱中产生多个透射峰,并且可以在介质层内实现局域电场增强的现象。此外,还研究了介质层的位置及周期等参数对多层膜金属狭缝阵列透射特性的影响,研究表明,当介质层位置或其它结构参数改变时,银狭缝阵列的透射光谱发生红移或蓝移,这些结果将对调节透射峰的位置及调控多层膜金属狭缝阵列的光学特性具有一定的指导意义。(2)设计了非周期性分级凹槽阵列结构,并利用有限元方法研究了通过该阵列结构产生的空间弯曲光束。此外,本文还研究了凹槽阵列的结构参数、弯曲常数及不同入射波长所对应的电场分布,结果表明,对于相同目标曲线,随着弯曲常数的增大,光束弯曲程度增大,传播距离减小,凹槽的宽度对空间弯曲光束的形貌影响较小,且该理论适用于多个波长,并且发现无论结构参数改变还是弯曲常数等改变,其对应的光束都具有横向自弯曲特性与无衍射特性,这些结果在光纤传感、光学捕获、纳米操控及光学集成等方面有着重要的潜在应用。

关键词：表面等离激元光学异常透射金属狭缝弯曲光束

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多层膜金属狭缝阵列的光学异常透射特性

中国科学：物理学、力学、天文学 2015年第2期45卷 16-22页

作者：聂俊英张宛罗李娜李贵安郑海荣张中月陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710062

本文设计了多层膜金属狭缝阵列,并用有限元方法研究了该阵列的透射特性.结果表明,与传统的单层薄膜金属狭缝阵列相比,多层膜金属狭缝阵列可以实现介质层内局域电场增强,并在透射光谱中产生多个透射峰.此外,本文还研究了介质层的厚度、... 详细信息

本文设计了多层膜金属狭缝阵列,并用有限元方法研究了该阵列的透射特性.结果表明,与传统的单层薄膜金属狭缝阵列相比,多层膜金属狭缝阵列可以实现介质层内局域电场增强,并在透射光谱中产生多个透射峰.此外,本文还研究了介质层的厚度、位置周期等对多层膜金属狭缝阵列透射特性的影响,这些结果将对调节透射峰的位置及更深刻理解多层膜金属狭缝的光学异常透射现象具有一定的指导意义.

关键词：光学异常透射金属狭缝表面等离极化激元

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光学异常透射的微观理论

中国基础科学 2008年第3期10卷 20-22页

作者：刘海涛 Philippe Lalanne 巴黎南大学法国国家科学研究中心光学研究所

本文介绍了作者最近在《自然》杂志(Nature,2008,452:728—731)发表的一项解释光学异常透射的微观理论。该理论建立了描述异常透射的一个金属表面等离子体(sur-faceplasmonpolariton,SPP)模型,通过比较模型预言的结果和严格求解Maxwell... 详细信息

本文介绍了作者最近在《自然》杂志(Nature,2008,452:728—731)发表的一项解释光学异常透射的微观理论。该理论建立了描述异常透射的一个金属表面等离子体(sur-faceplasmonpolariton,SPP)模型,通过比较模型预言的结果和严格求解Maxwell方程组全矢量方法的数值计算结果,发现在可见光及近红外波段,该模型能够定量给出异常透射的所有主要特征,从而验证了该模型的有效性。由于模型中仅保留了SPP而忽略了其它金属表面波,因此能够单独考察SPP在异常透射中的贡献,有助于调和之前不同观点间的争论。同时,由于该模型将二维孔阵列分解为一维孔链的周期组合,然后综合考虑各孔链处SPP的激发及散射过程,因此能够从微观层面分析形成异常透射的物理原因,解释了传统模式展开方法中表面Bloch模式的物理根源,同时能够为相关器件的设计提供理论指导。

关键词：光学异常透射金属表面等离子体准柱面波

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在课堂演示实验中引入光学异常透射现象

大学物理 2020年第2期39卷 34-38页

作者：裴延波姚凤凤张宇赵远哈尔滨工业大学物理学院

本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现象-亚波长金属缝异常光学透射现象.基于数值模拟,比较了在夫琅禾费衍射实验条件下,纳米尺寸单缝的异常光学透射和微米尺度单缝衍射... 详细信息

本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现象-亚波长金属缝异常光学透射现象.基于数值模拟,比较了在夫琅禾费衍射实验条件下,纳米尺寸单缝的异常光学透射和微米尺度单缝衍射的特点,讨论并指出纳米单缝的异常透射特征是纳米尺度光与物质强相互作用的反映,而这种强相互作用在微米尺度单缝的夫琅禾费衍射中是不显著的.最后对用于课堂演示的衍射实验装置的设计进行了讨论.

关键词：单缝衍射光学异常透射表面等离激元光漏斗效应法布里-珀罗共振腔

基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

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物理学报 2018年第10期67卷 179-186页

作者：祁云平周培阳张雪伟严春满王向贤西北师范大学物理与电子工程学院甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心兰州730070 兰州理工大学理学院兰州730050

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属... 详细信息

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.

关键词：光学异常透射塔姆激元表面等离极化激元类法布里-珀罗腔共振

金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜结构的透射增强效应

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物理学报 2024年第11期73卷 288-296页

作者：关建飞俞潇丁冠天陈陶陆云清南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院南京210023

为了采用易于直接激发的塔姆等离激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)实现透射增强现象,本文提出了一种由一维金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)构成的层状结构.采用有限元法分析了入射光波在DBR-金属... 详细信息

为了采用易于直接激发的塔姆等离激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)实现透射增强现象,本文提出了一种由一维金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)构成的层状结构.采用有限元法分析了入射光波在DBR-金属交界面上激发TPPs并产生能量高度局域的物理过程.研究表明入射TM光波在金属-DBR交界面上激发的TPPs可以有效地激发金属狭缝内的SPPs模式,当SPPs模式在狭缝内满足类FP谐振的条件就可以使入射光波在该结构中的产生透射增强.在此基础上,分析了狭缝宽度及其占空比对透射谱峰的定量影响.结果显示:周期确定时随着狭缝宽度的增大,峰值透射率则呈现先增大后减小的变化趋势;宽度确定时随着占空比的增大,峰值透射率会呈现单调降低的变化趋势,而透射峰中心波长呈现近似线性蓝移趋势,这为灵活调节异常透射的中心波长提供了一种有效手段.

关键词：光学异常透射金属光栅塔姆等离激元类法布里-珀罗共振

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内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列的宽频异常透射

红外与激光工程 2018年第S1期47卷 213-218页

作者：祁云平张雪伟胡月胡兵兵王向贤西北师范大学物理与电子工程学院甘肃兰州730070 兰州理工大学理学院甘肃兰州730050

为了实现宽频透射，设计了内嵌矩形腔的楔形金属狭缝结构，并用有限元方法研究了其透射特性。结果表明，内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列在红外范围内可以实现宽带、广角度的增强传输。并且与直缝结构对比光是强烈局域在狭缝出口处。用传... 详细信息

为了实现宽频透射，设计了内嵌矩形腔的楔形金属狭缝结构，并用有限元方法研究了其透射特性。结果表明，内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列在红外范围内可以实现宽带、广角度的增强传输。并且与直缝结构对比光是强烈局域在狭缝出口处。用传输线理论来描述这种现象。此外，还讨论了入射极化角度、狭缝入口宽度、楔形狭缝的中心偏置等因素对透射的影响。这些结果对光信号传输、宽带传输和近场光采集装置的设计具有一定的指导意义。

关键词：光学异常透射表面等离激元楔形金属狭缝有限元法

磁控旋光/金属光栅的光学单透性及曲面金属超透镜的性质

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磁控旋光/金属光栅的光学单透性及曲面金属超透镜的性质

作者：王铭扬首都师范大学

学位级别：硕士

本文主要研究单向透射和超透镜两个方面的问题。单向透射指某个装置对于相反两个方向入射光的透射率不一样。本文提出了一种可控的光学单向透射结构,此结构由一个金属亚波长光栅上覆一层磁致旋光介质所构成,即磁控旋光／金属光栅结构... 详细信息

本文主要研究单向透射和超透镜两个方面的问题。单向透射指某个装置对于相反两个方向入射光的透射率不一样。本文提出了一种可控的光学单向透射结构,此结构由一个金属亚波长光栅上覆一层磁致旋光介质所构成,即磁控旋光／金属光栅结构。先根据磁致旋光介质的旋光理论导出了旋光率与介电常数张量之间的关系,再结合实验结果获得了CeF3的介电常数张量。在此基础上利用时域有限差分(FDTD)的方法模拟了此结构的单透性。模拟结果表明,在室温下,通过磁场的控制,单透指数在0至85%之间变化,最大的磁场仅需1.1特斯拉。所以其工作环境相对于目前其它的单透装置是非常宽松的。我们同时对这种特殊的传输现象给出了合理的理论解释。超透镜指电单负(磁单负也可以)材料构成的薄膜,本文的创新之处在于研究弯曲薄膜超透镜。当物处于薄膜的凹面一侧时,成像会被放大,所以是放大超透镜;反之为缩小超透镜。我们基于零折射理论,利用解析推导的方法,推导出缩小与放大超透镜的理论计算公式,并对曲面金属超透镜的成像性质进行了研究。在光刻装置中,利用缩小超透镜能够获得刻槽深度够深且宽度够细的清晰图像,当其半径接近于缝宽时,其高宽比最高可达到平板超透镜的90倍左右;利用放大超透镜可以使刻槽变宽,更利于观测,缩小其半径最多可使半高宽放大1.5倍以上。以上结果可对单层曲面超透镜的实验和实际制作提供理论参考,同时也为研究弯曲薄膜周期堆垛打下了理论基础。除此之外,还根据电与磁的对称性,类比于表面等离子体(SPPs)的性质,本文还顺便研究了磁性材料与介质界面的表面电磁波特征。我们称这种表面电磁波为磁表面等离子体(MSPP)。推导了磁表面等离子体的波矢,消逝距离和局限深度,并分析了MSPP的四个特征长度。

关键词：光学单透性可控光学异常透射旋光介质超透镜曲面零折射磁表面等离子体