金属纳米天线阵列的光束调制和角度色散性质及其应用研究

Using the change in refractive index of the material to realize the real-time control of the beam deflection angle, using the light transmission property of the structure to realize the accurate measurement of the change in refractive index of liquid, both require that the light transmission in the the structure itself is very sensitive to the refractive index. The project will explore the refractive index sensitivity of surface plasmon-based metal nano-antenna array and study its beam modulation and angular dispersive property and its applications. Firstly, we will utilize the phase change on the metal nano-antenna structure to achieve super-resolution far-field beam focusing, and complete the optimum design and performance analysis; we study and design nano-antenna array structure with angular deflection function. In combination with optical enchanced transmission effects, its angle dispersive property will be analyzed. Antenna structure which is highly sensitive with the refractive index of the cover layer is developed in the project. The applications in the controllable beam deflection and the liquid index sensing are explored. The completion of the project has academic importance and application value for the research of the nano photonic devices.

利用材料的折射率变化实现光束偏转角度的实时控制，利用结构的光传输性质实现液体折射率变化的精确测量，二者都要求结构本身的光传输性质对折射率非常敏感。本项目将探索基于表面等离子体激元的金属纳米天线阵列对材料的折射率敏感性，研究其光束调制和角度色散性质及其应用。首先利用入射光在金属纳米天线结构上的相位突变实现光束的远场超分辨聚焦，完成优化设计和性能分析；研究设计具有角度偏转功能的纳米天线阵列结构，结合光学超透效应，分析其角度色散性质，实现偏转角度对覆盖层折射率高度敏感的天线结构，探索其在光束可控偏转和液体折射率传感中的应用。该课题的顺利完成对于纳米光子学器件的研究和发展具有重要理论意义和广泛的应用价值。

表面等离子体激元及其相关的结构器件研究是近十年来的热门研究方向。利用纳米缝或纳米天线构造的超表面结构的研究更是吸引了很多人的研究兴趣。金属纳米缝能够将光转换为近场的表面等离子体激元。通过合理的设计纳米缝的形状和排列，可以实现对表面等离子体激元的聚焦和调制，进而实现近场超分辨聚焦。本项目重点研究了金属银薄膜纳米缝阵列的光聚焦性质。我们提出了一种新型的纳米缝透镜结构，能够实现对入射光偏振角度不敏感的近场聚焦，且聚焦光斑尺寸远小于波长。利用金属纳米天线，我们设计了一种U型天线组成的超表面透镜结构，设计实现了单焦点和多焦点聚焦透镜。设计了一种基于U型天线的光束偏转器，研究了其角度色散性质。当覆盖层液体的折射率改变时，光束偏转角度相应变化，我们从理论上验证了利用角度色散实现的液体折射率传感器。本项目研究了利用飞秒激光诱导加工纳米缝阵列的，实验结果表明纳米缝阵列的线宽小于波长。.在本项目资助下，我们还扩展了研究领域，研究了在微波波段表面等离子体激元相关内容。在微波波段，电磁场在金属中的趋肤深度很小，我们研究了金属槽构成的伪表面等离子体激元波导结构。提出了一种L型槽构成的伪表面等离子体激元波导结构，这种结构具有结构紧凑，设计参数更灵活的特点。利用L型槽波导，我们实现了伪表面等离子体激元的慢波效应。研究了金属槽波导的模式理论，提出了一种计算模式色散的一般性公式和计算方法，该方法比利用数值软件计算速度快。研究了金属槽波导的模式激发方法，提出了一种金属拉链结构，通过调节参数可以实现对不同模式的激发。此外，我们还研究了硅基波导的光传输性质，提出了一种偏振转换和模式转换器件。该结构能够在通信波段附近宽带范围内实现模式的转换。相比于之前的偏振转换器，该结构尺寸较小，易于加工。.综上所述，本项目完成了预定研究内容和目标，在此基础上在相关领域内拓展研究内容，发表了SCI论文5篇，培养研究生若干名。