纳/微金属结构中表面等离激元的激发、传输和共振特性研究

随着人们对表面等离激元(SPP)的深入研究，其表现出的在纳米尺度独特物理性质和有望获得突破衍射极限纳米光子学器件和集成的潜力使其成为目前光学研究热点之一。本项目首先研究利用纳/微金属结构实现远场光和SPP之间耦合和能量转换特性，研究利用耦合结构获得波前变换和色散，以期用于光和SPP间的多通道互联和按波长分光。研究单个纳米金属结构与光的相互作用新规律，用以实现纳米级的光与SPP的有效耦合。研究具有凸起金属反射器的SPP纳米共振腔的特性和模式，揭示模式形成机理，探索实现超小模体积和提高品质因子的方法。研究光学天线的共振和场增强特性，设计针对圆偏光的光学天线，探索利用光学天线实现偏振变换的方法。在光学天线中加入共振腔的结构，进一步提高光学天线的场增强。通过本项目的研究，将对纳/微金属结构与光的相互作用机理有一个新的认识，为纳/微金属结构在基于SPP的纳米光子学器件和集成中的应用提供新原理和方法。

本项目研究了金属膜和纳米线上表面等离激元（SPP）激发和传输特性，利用结构和入射光调控SPP；研究了金属纳米腔和纳米天线中SPP的共振特性，阐述了其中的共振机制。我们利用阴极荧光技术激发纳米腔中的SPP对腔的共振机理进行了一系列研究，揭示了纳米腔中模式共振机理，证明了电子束局域激发SPP的垂直分量，这个结论对解释电子束激发的SPP共振模式具有重要意义；发现腔的高度对腔中有效波长具有很大的影响，给出了调控腔中SPP色散的的方法；研究了直接耦合的回音壁纳米腔中的共振，提出了利用纳米腔形成SPP人工原子和分子的概念；在长方形腔中获得了最高124的品质因子。揭示了缝隙纳米天线中SPP共振机理，实验上获得了最低几阶共振模式的电场的分布，给出了缝隙天线中SPP共振的实验证据；研究了螺线形纳米天线的特性，实现了与通常的偶极天线不一样的偏振响应，即场增强的方向与入射光偏振方向垂直；利用H形纳米天线实现了高的场增强，同时减小了共振半宽；利用不同尺寸的四个L形纳米天线的组合使其工作在近共振状态，散射光在两个正交方向上实现了90度的相位差，从而实现了纳米尺度的四分之一玻片；通过设计单个L形缝隙天线的尺寸，使电场沿两个正交方向的模式的共振波长和强度接近，同时相位差接近90度，利用单个天线实现了圆偏光和线偏光之间的转换；利用缝隙天线阵列实现了高效的SPP单向激发。通过设计类凹面光栅的SPP激发结构实现了光与SPP耦合中的聚焦和解复用，获得了基于SPP的解复用原型器件；利用空间光调制器调控入射到SPP耦合光栅上的强度分布，实现了对SPP的波前的动态电调控，提出了一种解决SPP电调控的方法；提出利用V形银纳米线实现了在银纳米线上的SPP分束器，分束比决定于入射光与V形结合点处的近场相互作用，可以通过改变入射偏振和纳米线夹角调控。. 这些结果给出了SPP在金属膜上激发和传输的特性及波前调控的方法，揭示了纳米腔和纳米天线中SPP共振的机理，同时实现了基于SPP的原型器件，对基础和应用研究两方面都具有重要意义。本项目发表影响因子大于7的文章3篇（已标注），培养博士生5人，硕士生1人，申请两项发明专利，圆满完成了本项目任务。