基于表面等离激元的光传输，吸收和辐射效应的研究

本项目拟对微结构金属薄膜材料中光的传播及调制特性展开理论和实验研究。一方面，通过利用微结构及几何参数的设计来调节表面等离激元（SPP）共振，进而控制光的传播行为。另一方面，探索和设计金属微结构/热敏、光敏或量子点材料复合结构，研究SPP响应和透射调制特征。具体研究包括：利用纳米"突起"加载的穿孔金属膜实现多波长输出及三基色产生；利用多层微结构金属薄膜实现功能的集成，如偏振模式的转换、同步的增强透射与光的囚禁吸收等；利用加载金属开口环的亚波长小孔阵列和热敏材料在外加激励下的相变行为，实现同步的增强透射和透射谱的开关与调制；利用微结构的SPP共振增强量子点自发辐射效应，设计、研究多色量子点的辐射增强。这些工作对于深入理解微结构金属材料中光的传播特性及其内部的相互作用机理和调制行为、对于开发新的亚波长光学器件有着重要的理论和应用价值。

本项目的研究属于表面等离激元光子学。表面等离激元光子学在最近的二三十年中经历了爆炸式的发展，形成了一个具有高度交叉性的新兴研究领域，它在表面增强拉曼散射、增强透射、超分辨成像、单分子水平的生物探测、非线性光学、太阳能等领域展现出蓬勃的生命力。.本项目对微结构金属薄膜材料中光的传播及调制特性展开了理论和实验研究，取得的成果有：.对一维金属光栅，实验和理论研究了周期排列的狭缝-凹槽复合结构的光学透射性质。实验研究了透射峰和透射谷与凹槽的关系。理论上使用唯象模型和严格耦合波模型对其进行了分析。结果表明其透射峰是由于周期性凹槽和周期性的狭缝散射的表面波之间干涉加强造成的；而其透射谷则是由于干涉相消引起的。.在由金属纳米棒三维周期排列构成的等离激元晶体中，电磁波与等离激元极化波的强烈耦合导致新的元激发。在长波极限下，从牛顿方程和电磁本构方程出发，推导了决定等离激元纳米结构中耦合物理机制的黄昆方程。解析给出了磁电耦合的等离激元纳米结构的等效电磁参数，为强耦合的超构材料电磁参数的提取提供了一种新的思路；揭示了磁耦合（包括磁电耦合）的等离激元晶体的元激发特性以及极化激元带隙效应。.研究了一维金属表面等离激元晶体的荧光发光与其能带带边态密度的关系。模拟和实验研究了其色散曲线、能带结构、带隙等与结构的关系。通过结构设计将等离激元的带边位置调至荧光分子的发光波长，增强了其发光效率。.从表面等离激元和微腔共振的相关理论出发，设计了Ag/PMMA/Ag的微腔结构，并在上表面银膜上刻蚀了1D的周期光栅结构。通过结构的精确设计，使SPP和cavity共振耦合，此时均匀分布在PMMA中的荧光分子的发光谱变窄，强度由于耦合作用更强。实验测量到了非常窄的荧光发射谱（半峰宽仅有15纳米），并实现了荧光的放大自发辐射。.从金属表面等离激元共振出发，通过微结构的精确设计，实现SPP和LSP共振同时激发。LSP共振可实现偏振与入射偏振方向垂直的电磁辐射输出；SPP波穿过样品结构时有相位延迟效应。两者的相消叠加可实现对单层零阶透射光学偏振旋转的有效控制。实验上在单层的金属纳米微结构中实现了极大的光学旋转率，远大于任何一种自然材料的。