基于亚波长金属光栅的超连续谱产生和操控研究

Supercontinuum sources have unique values and application potentions in the basic researches and special spectroscopy technologies. Plasmonic excitations and sub-wavelength grating can boost supercontinuum on the surface of the nonliear optical materials effectively, which will be studied by theory, numerical simulation and experiments. It is because that the coupling of light to surface plasmons can result in strong local electomagnetic fields, significantly enhancing nonliear optical processes.This method has many excellent and unique characteristics compared to the fiber.The sub-wavelength grating and waveguide can control the transmission of the incident light, the coupling process of the light waves, and the transmission of generated supercontinuum light in simple ways. Through the project, we will get a new type of supercontinuum source by the nonlinear-material-base metal grating in experiment, whose generation mechanisms and characteristics will be explained by theory and simulation. These results will enrich the physics on supercontinuum, subwavelength grating and surface plasmon.

超连续光源在基础研究和特殊光谱技术中有独特的应用价值和潜力。申请人将借助亚波长金属光栅和表面等离子体超强的局域电磁场，研究强非线性效应材料产生超连续谱及其特性。这种结构相比目前常用的光纤有很多优异和独特性。结构中的光栅和波导不仅对入射光有操控作用，对非线性效应中光波的耦合、以及产生的超连续光的传播都会有一定的影响。通过本项目的工作，将在实验室获得一种新型的、非线性材料基底金属光栅产生的超连续光源，并发展起相关超连续谱产生机制和光源特点的理论分析方法和数值模拟能力。此课题可以丰富超连续谱源、亚波长光栅和表面等离子体的物理研究内容，并且具有实用价值。

经过4年的研究工作，我们基本完成了研究目标：利用金属光栅的表面等离子体局域场增强效应和碳化硅材料的优异非线性特性产生了超连续谱。从理论和实验两个方面深刻认识了亚波长金属光栅特性，掌握了对光栅衍射、波动耦合和透射的行之有效的理论分析和数值模拟方法，我们自主编制了色散曲线、光栅光谱和场分布等理论计算程序。在亚波长金属光栅结构的制备上，自主搭建了基于激光干涉光刻的微纳结构制备系统，掌握一系列的关键工艺技术，可以成熟地在硅片、玻璃和柔性有机基底上，利用457.8nm波长的激光干涉制备出最小周期为260nm，最大面积为5cm×5cm的一维、二维光栅结构；我们研究了样品对入射白光、单色偏振光的反射、衍射和透射光谱，结合理论、模拟结果，做了有关表面等离子体、F-P腔增强等的物理机制研究。一方面利用光栅对不同波长和偏振的光束的操控能力，控制激光传输；另一方面利用局域场增强效应降低对激光峰值功率的依赖，增强非线性效应；光栅的大面积还可以提高输出光功率。受此项目支持，已发表7 篇SCI文章（标注了基金号），获得授权的国家发明专利2项，其中1项专利以18万元的价格进行了技术转让。公开专利1项。培养博士研究生2名，硕士研究生1名。