表面等离子激元模式耦合及其在色彩显示方面的应用

Plasmonic resonances of nanostructures possess great capabilities to engineer electromagnetic wave at the nanoscale, which have been applied to various areas, such as metamaterials, biosensing, lasing, nonlinear optics and photovoltaic devices. Especially, nanostructures, whose resonance spectrum of can be readily tailored by geometric dimensions, are promising to replace traditional color display pixels due to their stability and smaller sizes. In this project, through investigating the excitation and detection of high order surface plasmon polariton (SPP) modes on periodic structures and coupling effect of localized surface plasmon resonance (LSPR) of multiple-nanostructure systems, we aim to develop more versatile color prints based on plasmonic nanostructures for applications to information encryption and anti-counterfeiting labels. With the success of this project, we believe the unveiled underlying mechanisms and functionality demonstrations will also pave a broader avenue to other optical and photoelectric devices.

表面等离子激元在纳米尺度上控制电磁波特性方面具有出色的能力，而且它已经被广泛应用于超材料、生物传感器、激光、非线性光学和光伏器件等领域中。纳米结构的谐振响应可以简单地通过几何结构来控制。尤其是在色彩显示领域，由纳米结构组成的的像素单元更稳定、尺寸更小，大有取代传统显色材料之势。在本项目中，通过研究周期结构中高阶表面等离激元的激发和检测，以及多纳米结构系统中局域表面等离子激元谐振模式间的耦合效应，我们志在实现基于表面等离子体效应的更灵活多变的色彩单元，并将它们应用于信息加密和防伪标签等领域中。我们相信，通过揭示谐振模式背后的物理机制和功能性展示，我们的研究工作也将为表面等离子激元在其他光学和光电器件中的应用开拓出一条更广阔的道路。

基于亚波长结构的光场调控是当前研究热点，通过研究亚波长结构中电磁模式的激发和辐射特性，以及模式间的耦合作用，可以实现有效灵活的远场调控。这其中，辐射波长和辐射强度调控是结构色产生与控制的基础。本项目，通过研究周期结构中低阶和高阶等离激元模式的激发辐射特性与电场偏振的关系，实现了一种依赖于起偏-检偏的结构色，且只有在特定偏振选择下，才能实现色彩显示，在防伪标签、信息安全方面具有重要应用前景；在此基础上，我们进一步提出了一种可对介电环境变化进行检测的色彩传感器，且检测灵敏度可根据检测范围进行对应优化，在高效色彩传感方面具有重要意义；通过研究硅纳米结构的磁共振响应，实现了一种高效的像全息技术，与现有半导体工艺具有良好的兼容性，大大推动了超构表面向实用化的迈进；提出了一种可利用入射光偏振特性实现超构透镜调焦的方案，大大简化了调焦的难度。