有序与无序金属亚波长微纳结构的表面增强非线性

金属微纳结构的光学性质是当前微纳光学与光子学领域的研究热点问题，特别是在表面等离激元的参与下展现出许多不用于传统光学的新现象、新效应。本项目研究在表面等离激元作用下有序与无序金属亚波长微纳结构的表面场增强效应，利用这种场增强效应获得增强的光学非线性。我们将利用飞秒激光加工、聚焦离子束刻蚀等手段加工出有序和无序的金属亚波长微纳结构。有序结构即周期的或准周期的结构，如光栅、小孔阵列等；无序结构即非周期的结构，如纳米颗粒等。通过探测金属微纳结构的吸收谱可以找到表面场增强发生的波长，进而掌握结构参数与共振波长之间的对应关系；同时利用数值模拟方法和表面等离激元理论研究表面场增强效应的规律及其理论机制；通过理论与实验相互验证，选择适当的加工参数，使得微纳结构的共振波长与实验所用激光波长一致。将非线性介质置于金属微纳结构之上，利用其增强场实现增强非线性，同时研究这种增强非线性的应用如光限制、光开关等。

表面等离激元光学是微纳光学的重要分支，主要研究表面等离激元与微纳结构之间的相互作用。由于表面等离激元的局域性、增强型、亚波长性，使其在多个领域都具有广泛的应用价值。本项目着眼于表面等离激元的性质与应用，研究金属结构的加工、表征，及其光学性质，并利用数值模拟手段辅助研究表面等离激元的激发、传导等性能。. 实验上，我们掌握并改进了胶体球刻印方法，加工了多种金属微纳结构并探测了其光学性质。我们利用氧等离子处理方法控制胶体球的尺寸和间距，从而得到了间距可控的金三角锥结构、金-胶体球复合结构，以及孔径、周期可控的小孔阵列结构，我们探测了这些结构的透射谱、吸收谱并用表面等离激元共振理论分析了其特征峰。以金三角锥结构为基板测试了单分子R6G 的拉曼光谱，当金属纳米结构的共振吸收峰与拉曼光谱的激发波长相一致时，其增强因子可达到10^6。. 实验中我们还发现，当金-胶体球结构浸渍在二氯甲烷溶液中时出现了新现象，金属球壳破缺形成开口。通过控制胶体球与二氯甲烷的反应时间，可以制备出不同开口大小及方向的金属纳米球壳结构。我们探测并分析了在不同偏振态不同入射角度下，非对称金属纳米球壳的光学性质。利用胶体球刻印技术我们也尝试加工了其他结构。例如，在已经加工好的金三角锥结构之上再次镀银膜，我们发现生成了一种新的金属微纳结构，周期排布的银锥结构。. 利用数值方法，我们系统地研究了两种包含三个绝缘层的对称的金属-绝缘层-金属波导。给出了波导中表面等离激元本征模式的有效折射率、能量局域化尺度、传播长度以及品质优值等光学性质随着波导几何参数的变化关系。我们在此波导中发现了三个厚度临界值。当相应绝缘层厚度等于厚度临界值时，本征模式的有效折射率的实部不随着其他绝缘层厚度的变化而变化。通过优化几何参数和折射率分布，此多层波导可以实现更小的能量局域化尺度或者更大的传播长度。. 另外，我们在金属-绝缘层-金属波导中设计了可以将反对称束缚模转换为对称束缚模的模式转换器。通过调整相位和功率密度分布，我们在两种对称性的表面等离激元导模之间实现了高效率的模式转换。转换器是借助变换光学理论设计完成的，其中只包括由线性坐标变换得到的均匀的材料。在不考虑传导损耗的情况下，实现了高达95%的模式转换效率。在考虑金属欧姆损耗的情况下，实现了超过80%的模式转换效率。