介电纳米波导/金属纳米微结构复合体系中光传输性能及其应用

介电纳米波导和金属纳米微结构是两类优秀的光学微结构。两者具有鲜明的优缺点，且优缺点存在一定的互补性。本项目研究介电纳米波导和金属纳米微结构复合体系中光传输性质及其应用，探索将介电纳米波导与金属纳米微结构有效结合的方案，以期发现新的光学效应，并实现具有低损耗、短耦合距离、高传播因子等优良性能的微纳尺度集成光学元器件。项目将研究纳米波导光场与金属表面等离激元间的耦合特性，研究纳米波导/金属微结构复合体系中光传输损耗、传播因子、耦合长度等特性，确定光传输与复合体系结构及入射光特性的依赖关系，探索对光传输进行调控的方法；研究金属纳米微结构对纳米波导光学非线性及体系光传输特性的影响，确定复合体系中光学非线性的效应、规律以及调控的可能性；在上述研究的成果基础上，探索微纳尺度高性能分光器件、波导耦合器件以及偏振光学器件的设计方案，优化器件性能，制备原型器件。

本项目研究金属-介电纳米复合体系中光的传输特性，以期发现新的光学效应，设计新的微纳尺度集成光学元器件。项目中，我们研究了金属-介电-金属(MIM)波导中光传播性质，研究结果显示，对称破缺不是实现Fano共振的必要条件，我们发现在对称型MIM波导+矩形介电腔结构中横向与纵向传播模式的耦合也可以产生Fano共振；我们发现在MIM波导非对称性地嵌入矩形介电腔结构后，可以引入两种物理机制不同的Fano共振，所产生的双Fano共振可将透射峰全高半宽压缩至7nm。我们重点研究了金属-介电复合结构中传输模式的调制，我们通过在环形MIM共振腔中插入金属劈裂，实现了共振腔奇数级共振模式及偶数级模式的选择性计划和抑制；我们利用内嵌凹槽实现了MIM波导结构透射峰的蓝移、红移，透射光相位及波面特性的调制灯；我们利用串联介电空腔对MIM波导结构滤波特性进行了改进，所构建的滤波器件即保持很高透射率，也能具有较高的品质因子。我们重点研究了金属和介电混合纳米颗粒结构中光传输特性，研究结果显示，结果显示，内部的金属球与外界对称破缺的金属球壳之间存在的耦合可以对消光峰进行宽范围调节，将消光峰调节到近红外波段，更适合于生物方面的应用；不同对称破缺可实现相应透明峰的蓝移或者红移，进而实现多重偏振依赖表面等离激元震荡；我们发现了纳米颗粒情况下金属及介电混合结构中量子能级倒置的现象，修正了轨道杂化理论；我们研究了不同对称性金属纳米结构的耦合，在等腰三角形嵌入劈裂环构成的纳米金属阵列中实现了偏振依赖的Fano共振等现象，折射率传感性能得以提高。我们探索了金属-介电复合纳米结构制备与应用，我们设计了不等长的三个MIM亚波长波导耦合结构，实现包括AND、OR、XOR以及 NOT在内的并行逻辑操作；项目利用飞秒激光脉冲实现了磁光波导制备，利用蝉翼、AAO等为模板实现了亚10nm量级金属纳米隙结构制备，结构在SERS应用方面具有更高增强因子、更大的面积和更好的均匀性。项目在Opt Express等杂志发表论文22篇，SCI检索18篇，一篇文章被Virtual Journal for Biomedical Optics (VJBO)转载，一篇文章被Journal of Optics评为十篇‘Highlights of 2014’ collection之一。申请并获得中国发明专利1项，培养研究生8人。