等离激元纳米结构的制备及其光学性质

本项目将探索以金属纳米颗粒为基元的等离激元纳米结构的制备方法，并理论和实验研究其线性和非线性光学效应。1）尝试利用聚焦离子束等设备，通过加工亚波长小孔、沉积贵金属等手段，在线性、非线性介质衬底上制备二维或三维金属纳米结构。2）在此基础上研究若干线性光学效应，包括二维正交纳米棒粒子的等离激元共振引起的偏振模式耦合效应、三维"离子型"等离激元晶体的极化激元带隙效应、金属纳米棒/开口环复合结构的电磁诱导透明效应等。3）将金属纳米棒粒子植入非线性衬底介质，利用金属粒子的等离激元共振在非线性介质中产生增强的二次谐波。通过点阵结构和周期的设计，进一步实现二次谐波在面内的干涉加强或聚焦效应。这些对于设计、构造各种新的等离激元材料结构、实现各种新的物理效应，以及对于进一步研制高性能的新型光学器件具有重要的意义。

本项目在等离激元纳米结构的设计、制备及其光学效应等方面开展了理论和实验研究工作。主要研究进展包括：1）利用FIB微加工和辅助方法实现了若干准二维金属/介电微纳结构的制备（如二维金属纳米颗粒、多层非对称复合结构、三明治型亚波长/超波长金属微结构）。2）理论研究了一维三明治型超构表面中的深度亚波长FP共振效应，同时揭示了该亚波长FP共振所导致的异常增强的光力效应。3）理论和实验研究了二维三明治型亚波长/超波长复合结构中的增强高阶衍射效应，实现了宽带、增强的一阶衍射。4）理论研究了一维亚波长超构表面中相对论电子与伪表面等离激元的互作用，利用梯度超构表面和准速度匹配机制实现增强的太赫兹波输出。5）利用两个正交的等离激元偏振片理论和实验实现了电磁波的透射和90度偏振旋转。通过材料优化，在光通讯波段进一步预言了高效（效率可达80%）和宽带（半高宽为300纳米）的偏振转换效应。这些等离激元纳米结构和光学效应可能导致重要的潜在应用，如用于光力的增强、宽带光谱分析、THz波产生或放大、偏振转换或开关等。