《有序與無序金屬亞波長微納結構的表面增強非線性》是依託南開大學，由李祖斌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：有序與無序金屬亞波長微納結構的表面增強非線性
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李祖斌
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
金屬微納結構的光學性質是當前微納光學與光子學領域的研究熱點問題，特別是在表面等離激元的參與下展現出許多不用於傳統光學的新現象、新效應。本項目研究在表面等離激元作用下有序與無序金屬亞波長微納結構的表面場增強效應，利用這種場增強效應獲得增強的光學非線性。我們將利用飛秒雷射加工、聚焦離子束刻蝕等手段加工出有序和無序的金屬亞波長微納結構。有序結構即周期的或準周期的結構，如光柵、小孔陣列等；無序結構即非周期的結構，如納米顆粒等。通過探測金屬微納結構的吸收譜可以找到表面場增強發生的波長，進而掌握結構參數與共振波長之間的對應關係；同時利用數值模擬方法和表面等離激元理論研究表面場增強效應的規律及其理論機制；通過理論與實驗相互驗證，選擇適當的加工參數，使得微納結構的共振波長與實驗所用雷射波長一致。將非線性介質置於金屬微納結構之上，利用其增強場實現增強非線性，同時研究這種增強非線性的套用如光限制、光開關等。
結題摘要
表面等離激元光學是微納光學的重要分支，主要研究表面等離激元與微納結構之間的相互作用。由於表面等離激元的局域性、增強型、亞波長性，使其在多個領域都具有廣泛的套用價值。本項目著眼於表面等離激元的性質與套用，研究金屬結構的加工、表征，及其光學性質，並利用數值模擬手段輔助研究表面等離激元的激發、傳導等性能。實驗上，我們掌握並改進了膠體球刻印方法，加工了多種金屬微納結構並探測了其光學性質。我們利用氧等離子處理方法控制膠體球的尺寸和間距，從而得到了間距可控的金三角錐結構、金-膠體球複合結構，以及孔徑、周期可控的小孔陣列結構，我們探測了這些結構的透射譜、吸收譜並用表面等離激元共振理論分析了其特徵峰。以金三角錐結構為基板測試了單分子R6G 的拉曼光譜，當金屬納米結構的共振吸收峰與拉曼光譜的激發波長相一致時，其增強因子可達到10^6。實驗中我們還發現，當金-膠體球結構浸漬在二氯甲烷溶液中時出現了新現象，金屬球殼破缺形成開口。通過控制膠體球與二氯甲烷的反應時間，可以製備出不同開口大小及方向的金屬納米球殼結構。我們探測並分析了在不同偏振態不同入射角度下，非對稱金屬納米球殼的光學性質。利用膠體球刻印技術我們也嘗試加工了其他結構。例如，在已經加工好的金三角錐結構之上再次鍍銀膜，我們發現生成了一種新的金屬微納結構，周期排布的銀錐結構。利用數值方法，我們系統地研究了兩種包含三個絕緣層的對稱的金屬-絕緣層-金屬波導。給出了波導中表面等離激元本徵模式的有效折射率、能量局域化尺度、傳播長度以及品質優值等光學性質隨著波導幾何參數的變化關係。我們在此波導中發現了三個厚度臨界值。當相應絕緣層厚度等於厚度臨界值時，本徵模式的有效折射率的實部不隨著其他絕緣層厚度的變化而變化。通過最佳化幾何參數和折射率分布，此多層波導可以實現更小的能量局域化尺度或者更大的傳播長度。另外，我們在金屬-絕緣層-金屬波導中設計了可以將反對稱束縛模轉換為對稱束縛模的模式轉換器。通過調整相位和功率密度分布，我們在兩種對稱性的表面等離激元導模之間實現了高效率的模式轉換。轉換器是藉助變換光學理論設計完成的，其中只包括由線性坐標變換得到的均勻的材料。在不考慮傳導損耗的情況下，實現了高達95%的模式轉換效率。在考慮金屬歐姆損耗的情況下，實現了超過80%的模式轉換效率。
