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劈裂环-盘二聚体结构的多重Fano共振

物理学报 2022年第2期71卷 298-306页

作者：杨其利张兴坊刘凤收闫昕梁兰菊枣庄学院光电工程学院枣庄277160 山东省光电信息处理与显示实验室枣庄277160

利用时域有限差分方法,理论研究了由劈裂环和圆盘构成的金二聚体结构的光学性质,分析了劈裂环的缺口取向和对称性破缺程度对其Fano共振特性的影响.结果表明,当缺口方向平行于二聚体中心连线时,劈裂环的奇数阶和偶数阶模式均能与圆盘的... 详细信息

利用时域有限差分方法,理论研究了由劈裂环和圆盘构成的金二聚体结构的光学性质,分析了劈裂环的缺口取向和对称性破缺程度对其Fano共振特性的影响.结果表明,当缺口方向平行于二聚体中心连线时,劈裂环的奇数阶和偶数阶模式均能与圆盘的偶极模式作用产生Fano共振,且随着劈裂环的进一步破缺,更多的偶数阶Fano共振能被激发出来;但当垂直时,不管劈裂环的缺口背对圆盘还是面向圆盘,二聚体仅有偶数阶Fano共振能被激发出来,且随着劈裂环内层中心远离圆盘而增强,随着劈裂环的进一步破缺,缺口背对圆盘的二聚体还能激发出多个奇数阶Fano共振,但同时也引起偶数阶Fano共振的减弱,而缺口面向圆盘的二聚体则仅发生偶数阶Fano共振的略微增大.这些结果可望对基于多重Fano共振的多波段光子器件设计有一定的参考意义.

关键词： Fano共振局域表面等离激元二聚体时域有限差分法

基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器设计

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工矿自动化 2023年第9期49卷 106-114页

作者：刘海周彤陈聪高鹏戴耀威王晓林段森浩高宗阳中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116

与传统甲烷传感器相比,超表面甲烷传感器具有高度灵敏、性能稳定、小型化、集成化、多功能可定制等优点,更满足在煤矿等复杂环境下的应用需求。设计了基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器。超表面结构由周期性的硅纳米结构和SiO2衬... 详细信息

与传统甲烷传感器相比,超表面甲烷传感器具有高度灵敏、性能稳定、小型化、集成化、多功能可定制等优点,更满足在煤矿等复杂环境下的应用需求。设计了基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器。超表面结构由周期性的硅纳米结构和SiO2衬底组成,包含4个方形硅环纳米结构及中心的硅纳米方块。通过改变几何参数观察其对全介质超表面结构Fano共振的影响,结果表明,综合考虑结构的品质因数和调制深度,应选取方形硅环中心距离为1000 nm,方形硅环的内边长为100 nm,硅纳米块的边长为200 nm,此时品质因数为227.60,调制深度为99.98%,接近100%。通过在超表面结构内涂覆甲烷气敏薄膜实现传感检测功能,结合极窄线宽的fano谐振特性和显著的局域场增强效应,实现对甲烷气体的高精度检测。仿真结果表明:全介质超表面传感器对甲烷体积分数的灵敏度为−0.953 nm/%,且甲烷体积分数变化与共振峰偏移量呈线性关系,监测性能较好;全介质超表面传感器的折射率灵敏度高达883.95 nm/RIU,且共振峰偏移量与环境折射率增量呈线性关系,可用于检测环境折射率的变化。

关键词：甲烷传感器 Fano共振超表面器件品质因数调制深度灵敏度环境折射率

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

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物理学报 2019年第10期68卷 248-256页

作者：陈颖曹景刚谢进朝高新贝许扬眉李少华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秦皇岛066004 河北先河环保科技股份有限公司石家庄050000

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改... 详细信息

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.

关键词：表面等离子激元 Fano共振方形腔双挡板

对称纳米棒三聚体结构的Fano共振特性研究

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物理学报 2019年第19期68卷 248-254页

作者：李爱云张兴坊刘凤收闫昕梁兰菊枣庄学院光电工程学院枣庄277160 山东省光电信息处理与显示实验室枣庄277160

利用时域有限差分方法,理论研究了由中间短棒和两侧长棒构成的对称金纳米棒三聚体结构的光学性质,分析了结构参数和介电环境对其 fano 共振特性的影响.结果表明:随着中间短棒长度、三棒整体尺寸或短棒两侧介质折射率的减小, fano 共振... 详细信息

利用时域有限差分方法,理论研究了由中间短棒和两侧长棒构成的对称金纳米棒三聚体结构的光学性质,分析了结构参数和介电环境对其 fano 共振特性的影响.结果表明:随着中间短棒长度、三棒整体尺寸或短棒两侧介质折射率的减小, fano 共振谷蓝移;棒间距的增大同样导致 fano 共振谷蓝移,但边棒长度的变化对 fano 共振谷位的影响较小;同时,随着纳米结构参数或介电环境的变化, fano 共振谷两侧共振峰强度发生改变,共振对比度先增大后减小.通过比较纳米结构截面的电磁场和电流密度矢量分布发现,共振谷两侧光谱强度的变化源于结构参数或介电环境引起的等离激元共振模式的改变.研究结果对基于 fano 共振可控的纳米结构设计有一定的参考意义.

关键词： Fano共振局域表面等离激元纳米棒时域有限差分法

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基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

物理学报 2021年第3期70卷 13-32页

作者：鹿利单祝连庆曾周末崔一平张东亮袁配天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 东南大学先进光子学中心南京210096

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称... 详细信息

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器,以及光非互易性全光信号处理的性能.本综述分析了Fano共振的一般数学表述,总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状,讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法,比较各种方案优劣及适用场合,梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况.最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向.

关键词：谐振腔硅光子学光子集成 Fano共振

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金纳米棒二聚体结构的Fano共振

量子光学学报 2023年第2期29卷 82-90页

作者：李星童陈昱马强琚志平李康陈梦迪吴伯涛武愕华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室上海200241 重庆市精密光谱重点实验室华东师范大学重庆研究院重庆401120 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

等离激元金属纳米结构中的Fano共振,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实... 详细信息

等离激元金属纳米结构中的Fano共振,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒,通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构,在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明,短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷,同时基于有限差分时域(FDTD)方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。

关键词： Fano共振二聚体金纳米棒散射

基于Fano共振的微腔传感器设计及传感特性研究

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基于Fano共振的微腔传感器设计及传感特性研究

作者：刘晓彤哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

利用光学传感器实现生化分子浓度和折射率的快速探测和传感是目前研究的热点。表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)对折射率敏感,故基于SPPs谐振效应的传感器具有较高的折射率灵敏度,尤其是通过暗模式和亮模式耦合而产生的... 详细信息

利用光学传感器实现生化分子浓度和折射率的快速探测和传感是目前研究的热点。表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)对折射率敏感,故基于SPPs谐振效应的传感器具有较高的折射率灵敏度,尤其是通过暗模式和亮模式耦合而产生的Fano共振,具有尖锐的不对称线型,能够极大的提高传感的灵敏度和探测限。本文设计两类金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导与谐振腔耦合产生Fano共振的结构,利用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法对这些结构产生Fano共振的机理进行了分析,并研究其对酒精浓度和温度的传感特性,使用灵敏度和品质因数(Figure of Merit,FOM)参数来表征传感特性,主要的研究内容如下:提出了一种双开口圆环谐振腔结构,分裂的环构成两个谐振腔,可同时产生亮暗模式,通过数值仿真模拟了双开口环内的光场分布,分析了Fano共振的产生机制。为了研究结构作为传感器的性能,计算了结构的灵敏度和FOM分别为840nm/RIU和15,酒精浓度和温度灵敏度可达0.77nm/%、0.446nm/℃。由于该结构中亮模式的光谱宽度有限,导致Fano共振峰较宽,在此基础上优化结构,在波导中添加双银挡板构成F-P腔产生亮模式,产生了更尖锐的Fano共振峰。此结构折射率灵敏度和FOM分别为1386nm/RIU和18,酒精浓度和温度灵敏度可达0.918nm/%、0.550nm/℃。为了提高耦合长度使用弯曲波导与圆环谐振腔进行耦合,通过计算确定耦合长度为251nm(对应圆环谐振腔圆心角q=60°)时为临界耦合,Fano共振峰的强度有较大的提高,优化后的结构灵敏度和FOM分别为1400nm/RIU和19,酒精浓度和温度灵敏度可达0.918nm/%、0.572nm/℃。为了有效利用光谱带宽和提高器件集成度,利用矩形谐振腔产生暗模式。首先,分析单矩形谐振腔中的Fano共振特征。以三个不同长度的矩形谐振腔产生暗模式,获得三重Fano共振,而与银挡板偏离较大的谐振腔产生的Fano共振较弱。为了提高亮暗模式间的耦合,构建了“E”形谐振腔。“E”形谐振腔中产生了四个暗模式,其中三个暗模式能够产生Fano共振,分析了Fano共振产生的机理,同时也给出了另一暗模式不能产生Fano共振的原因。优化结构后,“E”形谐振腔传感器的灵敏度和FOM分别为1380nm/RIU和18,酒精浓度和温度灵敏度可达0.936nm/%、0.568nm/℃。本研究对于MIM结构产生可调谐的Fano共振峰具有重要意义。

关键词：折射率传感器时域有限差分法 MIM波导 Fano共振

基于连续束缚态的高品质因子双波长Fano共振

同方学位论文库评论

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中国光学（中英文） 2023年第4期16卷 824-832页

作者：王琳董繁龙衢州职业技术学院信息工程学院浙江衢州324000 深圳技术大学、先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室广东深圳518118

为了提高品质因子(Quality value,Q)以增强光与物质的耦合作用,本文提出一种结构简单、工艺制备要求低的介质超材料,它可激发对称保护的连续介质束缚态(bound states in the continuum,BICs)。该介质超材料具有四聚孔组成的平面纳米孔板... 详细信息

为了提高品质因子(Quality value,Q)以增强光与物质的耦合作用,本文提出一种结构简单、工艺制备要求低的介质超材料,它可激发对称保护的连续介质束缚态(bound states in the continuum,BICs)。该介质超材料具有四聚孔组成的平面纳米孔板,通过改变纳米孔的位置,可使对称保护BIC转变为对称保护的QBIC,进而诱导出两个高品质因子Q值Fano共振。经计算Fano共振在非对称参数Δ=3 nm时,Q值可达到1×e^(6)。随后将QBIC和Fano共振的远场辐射分解为不同多极子分量的贡献,基于散射功率和电场矢量分布可以发现,介质超材料在λ_(1)出现高Q值Fano共振主要是因为磁四极子和环偶极子的存在,而在λ_(2)出现高Q值Fano共振主要是因为环偶极子的存在。最后分析计算了纳米孔边长和纳米孔填充材料对两个Fano共振的影响。本文的研究可以为研究制备高Q值光学响应器件提供理论指导。

关键词：连续介质束缚态介质超材料 Fano共振品质因子

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等离激元金属二聚体结构的Fano共振研究

等离激元金属二聚体结构的Fano共振研究

作者：李星童华东师范大学

学位级别：硕士

等离激元金属纳米结构中的Fano共振,是一种源于金属纳米结构等离激元模式相互耦合而产生的光学现象,具有狭窄且不对称的线形及对结构和环境的高度敏感性等特征,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而... 详细信息

等离激元金属纳米结构中的Fano共振,是一种源于金属纳米结构等离激元模式相互耦合而产生的光学现象,具有狭窄且不对称的线形及对结构和环境的高度敏感性等特征,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。其中,二聚体结构作为能产生Fano共振较简单的等离激元耦合体系,已从较多理论研究中证明了Fano共振是由二聚体结构中的一个偶极模式和一个多极模式发生相消干涉而产生的,但在单颗粒尺度下对单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本论文基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象,采用实验测量与理论模拟结合的方法,研究了金-金纳米棒二聚体结构的光学性质。首先利用种子生长法制备了等离激元共振峰在1060 nm处的长金纳米棒和700 nm处的短金纳米棒。鉴于不同浓度的化学试剂和实验条件(如温度、时间等)可以调节金纳米棒的长径比、形状和光学性质等特性,本文分别探究了金纳米棒的生长过程中加入不同浓度的缩合剂、还原剂和生长诱导剂对其产生的影响。分析金纳米棒水溶液的吸收光谱变化,总结得出了最适宜制备共振峰在1060 nm和700 nm金纳米棒水溶液的合成参数,从拍摄的SEM图像中得到了长短金纳米棒的平均长度分别为110 nm和55nm,对应的平均直径分别为17 nm和20 nm。其次,利用长短金纳米棒的自组装制备二聚体。通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建了首尾相连的长短金纳米棒二聚体结构。在长短金纳米棒的混合溶液中加入0.9 m M的L-半胱氨酸溶液,利用L-半胱氨酸分子中硫氢基团的强抱合作用自组装成金纳米棒二聚体结构,分析发生自组装前后混合溶液的吸收光谱和TEM图像,得出了影响金-金纳米棒二聚体结构产率的原因,相应地,提出了改进方法。最后研究了金纳米棒二聚体结构的Fano共振。在自建的暗场显微系统中对单个金纳米棒和耦合的二聚体结构进行了暗场散射光谱的测试。结果表明一长一短金纳米棒耦合的二聚体结构,其散射光谱新增了位于660 nm处显著的Fano共振谷,基于有限差分时域(FDTD)方法的理论模拟二聚体散射光谱则在656 nm处出现了Fano共振谷,理论模拟与实验结果能够较好的符合。同时还分析了二聚体结构的近场电场分布图像,证明了二聚体结构中长短金纳米棒分别提供暗四极模式与明偶极模式,两个模式间的相消干涉导致了Fano共振的产生。这种自组装的二聚体结构在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。

关键词： Fano共振二聚体金纳米棒散射