可逆微形变纳米阵列对等离激元的动态调控及其光学特性研究

The modulation of Surface Plasmons (SPs) on micro-nanostructures is an interdisciplinary frontier of materials science and nanophotonics, and the key scientific issue for flexible modulation of optical signals. In view of the high sensitivity of SPs to morphology, size and arrangement of nanostructures, this project intendeds to realize active modulation of SPs which based on reversible micro-deformation of hierarchically structural nano-arrays by using laser as external driving factor, since it’s combined with hierarchical array and embedded sites of active material. The unique features of this project are as follows: 1. The adopted nano-array possesses special properties of hierarchical periodicity, which is necessary for realizing its directional micro-deformation; 2. Investigating the influencing factors of dynamic response on SPs, and clarifying the mechanism of dynamic regulation on SPs based on hierarchical nanostructures; 3. Establishing dynamic modulation models with multi-dimensional and hierarchical periodicity to lay the foundation for developing active response optical devices. This project aims to realize dynamic modulation of SPs with sensitive response, high stability and reversible optical signal, which is of great significance for promoting the application of active regulation on SPs.

微纳结构的表面等离激元特性调控是材料学与纳米光子学领域的交叉学科前沿，也是实现光信号在微纳尺度下灵活调控的关键科学问题。鉴于表面等离激元对纳米结构形貌、尺寸及排列方式的高敏感度，本项目拟采用独特的嵌套周期纳米阵列结构，选取激光为外源驱动因素，结合嵌套周期结构和特定的活性材料响应位置，以可逆的微形变改变纳米阵列的结构参数，实现对等离激元的主动调控功能，从而获得对光学信号的双向调控能力。本项目的创新之处在于：1.制备的纳米阵列具有独特的嵌套周期特征，提供微形变调控等离激元的必要条件；2.深入研究表面等离激元动态响应的影响因素，阐明嵌套周期纳米阵列结构对等离激元的动态调控机制；3.建立一套多维度、多嵌套周期的动态调控模型，为主动响应型微纳光学器件的发展奠定基础。本项目以实现响应灵敏，稳定性高、响应信号双向可调的表面等离激元动态调控为目标，对推动等离激元调控技术的应用具有重要意义。

微纳尺度上的光与物质相互作用是纳米光学领域的重要课题之一。纳米阵列结构能够将高能量的光信号局域在微纳尺度上，导致光场及阵列结构光学特性发生显著变化。本项目聚焦嵌套周期纳米阵列结构的设计与开发，开展了活性响应材料组装、阵列结构微形变及光信号可逆调控一系列工作，通过高对称点位置的结构嵌套实现了光信号的可逆调控研究，建立了光参量动态调控方法。以非刻蚀技术替代高分辨光刻装备，采用阳极氧化铝薄膜开展光腔结构的创新研究。在简单晶格的基础上，探究其生长机制与多物理场作用过程，获得八种嵌套周期纳米阵列结构，并能够实现纳米阵列全参数调控。在嵌套周期纳米光腔的支持下，从宏观与微观两方面对其光学特性进行系统性研究。宏观方面，对比短程有序纳米阵列、简单晶格纳米阵列与嵌套周期超晶格纳米阵列的结构色，以薄膜干涉为主的阵列结构实现了良好的信息隐写功能，复合温敏材料的阵列结构能够在变温过程中显示可逆变化的结构色，明确了纳米阵列微形变的可逆过程。微观方面，根据实空间与倒易空间的转换关系，探究嵌套周期纳米阵列结构的本征光学特性及其衍射级次分布情况，阐明嵌套周期纳米阵列结构对等离激元特性的调制作用。从物理原理和光腔设计出发，在等离激元晶格共振模式的加持下，实现了光信号强度、峰位与偏振态的可逆调控。本项目中，基于纳米阵列结构实现的光参量可逆调控有助于新型光学功能器件的发展，并为其后续应用提供了重要的基础理论支撑。