基于类电磁诱导透明效应的高灵敏度纳米传感器

Electromagnetically induced transparency (EIT) effect is a coherence phenomenon in atomic system. In recent years, it is found that EIT-like effect can be realized in integrated optical devices. In the past years, the EIT-like effect in integrated devices has attracted much attention and many novel integrated optical devices, such as filters and slow light waveguide, have been proposed. However, less attention has been paid on nanosensor, which can find important applications in integrated optical circuits. In this project, we will make use of the series fruits that based on subwavelength metallic surface plasmon polaritons and proposed a novel high sensitivity nanosensor based on EIT-like effect. It is found that EIT-like effect can be realize in subwavelength metallic structure and the transmission is severely affected by the geometrical parameters. By optimizing the geometrical parameters, an ultranarrow transparency window can be obtained. When the refractive index of the materials changes, the transmitted-peak will shift, and a refractive index-type nanosensor can be realized. Due the ultranarrow transparency window, this nanosensor possesses high sensitivity. The research is important both in theory and practice and expected to provide us a novel method to investigate new integrated optical devices.

电磁诱导透明效应是一种原子系统内的相干现象。近些年，研究发现在一些经典的微纳光子器件中也能产生类似电磁诱导透明效应的现象。过去几年，基于微纳器件实现的类电磁诱导透明效应引起了人们极大的研究兴趣，基于此效应实现了滤波器、慢光波导等新型微纳光子器件。纳米传感器在微纳光子器件集成中有着重要的应用，但是这方面的研究目前鲜见报道。本课题拟利用我们基于亚波长金属表面等离子体激元的系列成果，提出一种新型的基于类电磁诱导透明效应的高灵敏度微纳传感器。研究在亚波长金属结构中实现类电磁诱导透明效应，并指出透过峰的宽度受结构参数的影响很大。通过优化设计结构参数，能够获得宽度极小的透过峰。改变金属结构中介质的折射率时，会引起透过峰位置的变化，从而实现微纳结构的折射率传感器。由于透过峰的宽度较小，因此该微纳传感器具有高灵敏度。此研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值，有望为探索新型微纳光子器件提供一种新颖的手段。

电磁诱导透明效应是一种原子系统内的相干现象。近些年，研究发现在一些经典的微纳光子器件中也能产生类似电磁诱导透明效应的现象，并在慢光波导、光逻辑器件及非线性光学中有重要的应用。本项目开展了利用新型表面等离子体微纳光子器件实现窄线宽类电磁诱导透明效应的理论与实验研究，建立了金属-介质-金属波导的传输线理论模型，利用FDTD法研究了金属-介质-金属波导中双腔耦合结构的光谱响应，探索了利用光谱变化实现纳米传感探测的应用；基于类电磁诱导透明效应，设计了一种可调节的慢光波导，实现了慢光因子的可调节；提出了一种金属光栅与多层膜混合结构的人工超材料，利用该结构实现超窄线宽的光谱响应；理论研究了基于GMR效应实现类电磁诱导透明效应的物理机制，并利用该效应实现了纳米传感探测；设计了一种全介质材料的人工超表面，实现了光学相位与振幅的独立控制，并基于该超表面设计了光学OAM发生器；提出了一种模阶保持同偏振模式分束器，分别研究了结构参数对波导色散关系、模场分布及耦合长度的影响，在宽带范围内实现了模阶保持的同偏振模式分束功能。该项目的研究为新型的纳米传感探测器件开发提供理论支撑和技术基础，相关结果有望应用于高灵敏度的快速、实时生化检测领域。