基于非对称表面等离激元纳米结构的动态可调彩色显示研究

Structural color arising from plasmonic nanostructures offers many benefits, such as ultrahigh-resolution, ultrathin, high efficiency, high durability, energy saving and environmental protection. However, once these nanostructures are fabricated their optical characteristics and the resulting colors remain static, losing their tunability. In this project, we will try to control the mode coupling and obtain the ideal spectral power distribution by using specially designed plasmonic nanostructures, and then dynamically tune the structural color by adjusting the incident light. We construct the asymmetric periodic nanostructures with special shapes. By using the mode coupling theory analysis, full vector numerical simulation and combining with experimental study, we aim to reveal the underground mechanisms of mode coupling in asymmetric periodic nanostructures, explore the changing law of the spectral power distribution with the incident and structural parameters, and confirm the structural color generation resulted from different polarization and incident directions. Thus, by controlling the directions of polarization or incidence, we can achieve dynamically tunable color generation and pattern changing. This project is very important for both the fundamental and application researches of plasmonic color generation.

基于表面等离激元纳米结构的结构色具有超高分辨率、超薄、高效、高耐久性以及节能环保等优点。然而，一旦这些纳米结构被制造成形，其光学特性以及所产生的颜色将保持静态，不再具有可调性。本项目旨在使用特别设计的表面等离激元纳米结构，控制复合结构中的模式耦合特性，从而得到理想的光谱功率分布，进而实现结构颜色随入射光特性改变而变化的动态调谐特性。通过构建具有特殊形状的非对称周期纳米结构，利用模式耦合理论分析、全矢量数值模拟以及实验研究相结合的方法，揭示非对称周期纳米结构中模式耦合特性的物理机制，探明非对称周期纳米结构的光谱功率分布随入射光特性和结构参数变化的一般规律，确定不同偏振方向和入射方向情况下结构所显示的颜色。从而通过控制偏振方向或入射方向的方法，实现动态可调彩色显示以及动态图案变化。本项目的实施，对等离激元结构色的基本原理和应用研究都具有重要意义。

基于非对称纳米结构所获得的光学各向异性会产生诸多新颖的光学效应。本项目深入开展了基于非对称纳米结构的新奇光学器件研究，并取得了重要进展。提出了基于非对称结构的连续可调全色等离激元像素，通过打破模块布局的内在对称性，在不改变结构特性或周围环境的情况下，实现偏振控制颜色调谐。提出了一种金属开口环和电介质条组成的三层非对称结构，可以实现极高对比度的不对称传输特性。提出了全介质三层非对称结构，实现了近完美的偏振旋转。研究了全介质纳米孔阵列结构中不同模式下纳米结构的布洛赫模对纳米微粒的精确捕获特性。本项目的实施，对非对称纳米结构的基本原理和应用研究都具有重要意义。