基於表面等離激元的光傳輸，吸收和輻射效應的研究

《基於表面等離激元的光傳輸，吸收和輻射效應的研究》是依託南京大學，由朱永元擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於表面等離激元的光傳輸，吸收和輻射效應的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱永元
• 依託單位：南京大學

項目摘要

本項目擬對微結構金屬薄膜材料中光的傳播及調製特性展開理論和實驗研究。一方面，通過利用微結構及幾何參數的設計來調節表面等離激元（SPP）共振，進而控制光的傳播行為。另一方面，探索和設計金屬微結構/熱敏、光敏或量子點材料複合結構，研究SPP回響和透射調製特徵。具體研究包括：利用納米突起載入的穿孔金屬膜實現多波長輸出及三基色產生；利用多層微結構金屬薄膜實現功能的集成，如偏振模式的轉換、同步的增強透射與光的囚禁吸收等；利用載入金屬開口環的亞波長小孔陣列和熱敏材料在外加激勵下的相變行為，實現同步的增強透射和透射譜的開關與調製；利用微結構的SPP共振榆拔請增強量子點自發輻射效應，設計、研究多色量子點的輻射增強。這些工作對於深入理解微敬束拒少結構金屬材料白漿狼習中光的傳播特性及其內部的相互作用機理和調製行為、對於開發新的亞波長光學器件有著重要的理論和套用價值。

結題摘要

本項目的研究屬於表面等離激元光子學。表面等離激元光子學在最近的二三十年中經歷了爆炸式的發展，形成了一個具有高度交叉性的新興研究領域，它在表面增強拉曼散射、增強透射、超分辨成像、單分子水平的生物探測、非線性光學、太陽能等領域展現出蓬勃的生命力。 本項目對微結構金屬薄膜材料中光的傳播及調製特性展開了理論和實驗研究，取得的成果有： 對一維金屬光柵，實驗和理論研究了周期排列的狹縫-凹槽複合結構的光學透射性質。實驗研究了透射峰和透射谷與凹槽的關係。理論上使用唯象模型和嚴格耦合波模型對其進行了分析。結果表明其透射峰是由於周期性凹槽和周期性的狹縫散射的表面波之間干涉加強造成的；而其透射谷則是由於干涉相消引起的。 在由金屬納米棒三維周期排列構成的等離激元晶體中，電磁波與等離激元極化波的強烈耦合導致新的元激發。在長波極限下，從牛頓方程和電磁本構方程出發，推導了決定等離激元納米結構中耦合物理機制的黃昆方櫻旬程。解析局凝習給出了磁電耦合的等離激元納刪汽愚米結構的等效電磁參數，為強耦合的超構材料電磁參數的提取提供了一種新的思路；揭示了磁耦合（包括磁電耦合）的等離激元晶體的元激發特性以及極化激元帶隙效應。 研究了一維金屬表面等離激元晶體的螢光發光與其能帶帶邊態密度的關係。模擬和實驗研究了其色散曲線、能帶結構、帶隙等與結構的關係。通過結構設計將等離激元的帶邊位置調至螢光分子的發光波長，增強了其發光效率。 從表面等離激元和微腔共振的相關理論出發，設計了Ag/PMMA/Ag的微腔結構，並在上表面銀膜上刻蝕了1D的周期光柵結構。通過結構的精確設計，使SPP和cavity共振耦合，此時均勻分布在PMMA中乎滲嬸的螢光分子的發光譜變窄，強度由於耦合作用更強。實驗測量到了非常窄的螢光發射譜（半峰寬僅有15納米），並實現了螢光的放大自發輻射。 從金屬表面等離激元共振出發，通過微結構的精確設計，實現SPP和LSP共振同時激發。LSP共振可實現偏振與入射偏振方向垂直的電磁輻射輸出；SPP波穿過樣品結構時有相位延遲效應。兩者的相消疊加可實現對單層零階透射光學偏振旋轉的有效控制。實驗上在單層的金屬納米微結構中實現了極大的光學旋轉率，遠大於任何一種自然材料的。