基于表面等离激元的超薄隐身套的实验验证

针对超材料透波隐身套厚度大的问题,提出了基于表面等离激元的超薄隐身套,通过超材料套层将入射电磁波耦合为表面等离激元波并传输至障碍物后方,实现超薄透波隐身。设计了基于开口谐振环的表面等离激元耦合层,将其包覆在金属圆柱表面,制作了基于表面等离激元的超薄隐身套原理样件并进行了对比测试。实验结果表明,该隐身套在其厚度仅为工作波长的1/30 时具有良好的绕行透波性能。     

平板介质的微波分裂腔法介电常数测试技术

为实现微波频段平板类介质材料的介电常数的无损测试,研究了分裂式圆柱形谐振腔测试方法。介绍了分裂式圆柱形谐振腔的电磁场分析理论,采用模式匹配技术实现了介质加载条件下腔内电磁场分布的精确求解,得到了腔体谐振频率与材料介电常数之间的准确关系。在理论分析的基础上,制作了空腔谐振频率为10 GHz的分裂式谐振腔,并与前期研制的闭式谐振腔进行对比测试,介电常数实部测量结果相对误差小于1%。与国外同类产品进行对比测试,介电常数实部结果基本一致,损耗角正切测量结果更接近于文献参考值。因此,微波分裂腔法能够实现平板介质板材的无损测量,具有准确度高,使用方便等突出优势,可在微波频段内实现介电常数为1～20,损耗角正切为1×10^-3～1×10^-5,板材厚度为0.1～2.0 mm的各类平板介质材料介电常数的准确测试。     

石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元

太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波,分为传输型和局域型2种。本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源,通过外加偏压改变石墨烯的电导率,分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路,拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。     

基于液晶的太赫兹可调谐超材料吸波体

文中设计了一种液晶太赫兹电控超材料吸波体,通过外部电场改变液晶层的等效介电常数,实现对于太赫兹反射波的调控。对器件的传输性能进行计算,分析了谐振频点处的表面电流分布和能量损耗密度情况。采用紫外光刻以及湿法刻蚀技术,制作了30×30单元超材料吸波体阵列并对其进行测试验证。结果表明,当偏置电压在0~30 V之间变化时,吸波体的谐振频点可实现101.5~117.95 GHz范围内的动态调控,综合可调率达到13.9%,整个工作频段内,吸收率始终维持在90%以上。     

基于表面等离激元耦合调控石墨烯点阵结构

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章利用不受光信号的入射角和偏振方向影响的石墨烯点阵结构,结合石墨烯之间的表面等离激元耦合,通过改变底层石墨烯的费米能级,实现了石墨烯点阵结构谐振频率的调控。     

一维4H-碳化硅光栅红外光学特性及红外尺应用

从理论和实验上对极化材料4H-SiC一维光栅的光学特性进行了研究。发现该结构中存在四种光学模式:传播表面声子极化激元、偶极子天线、局域表面声子极化激元和准静态表面声子极化激元。进一步利用传播表面声子极化激元对于光栅结构参数的敏感性和原子层沉积技术生长介质材料,观察到了沉积材料厚度变化和传播表面声子极化激元的峰位偏移量呈现线性关系。该研究有助于新型微纳器件如纳米尺、传感器等的开发。     

基于人工表面等离激元的天线研究进展

人工表面等离激元是在人工电磁媒质与传统材料界面激发的一种亚波长表面电磁模式, 具有波长短、场局域增强、色散可调等新奇的电磁特性, 在小型化微波器件、隐身材料与隐身结构、天线/天线罩等领域具有重要应用前景.文章综述了人工表面等离激元在天线中的应用研究进展, 包括基于混合模式耦合、相位梯度超表面解耦、周期结构解耦等原理的端射天线、多波束天线、频扫天线, 为新型天线的研发与应用提供技术支撑.     

基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线

为了增加贴片天线的工作带宽和改善其辐射特性,提出了一种基于多模谐振的低剖面贴片天线。通过在矩形贴片的非辐射边加载短路壁降低H面的高交叉极化,在贴片下方加载短路销钉提高TM_1/2,0模式的谐振频率（f_1/2,0）;然后在TM_3/2,0模式的零电流位置处切割一个矩形缝隙来激发辐射缝隙模式（TM_RS）,得到低剖面、宽频带和低交叉极化的三模谐振贴片天线;最后通过增加贴片宽度和调整天线结构,降低TM_1/2,2模式的频率（f _1/2,2）,实现了四模谐振。仿真和实测结果表明该四模谐振贴片天线在0.03λ₀的厚度下可将带宽增加到21.7% (2.67～3.32 GHz).     

基于石墨烯/光子晶体混合结构的石墨烯表面等离激元波导

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章设计石墨烯与光子晶体的混合结构,利用光子晶体的能带结构和线缺陷的特点,形成了石墨烯表面等离激元波导,通过改变石墨烯的费米能级,实现了石墨烯表面等离激元波导频率的调控。     

表面增强硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜非线性吸收（特邀）

文中利用热蒸发以及退火等工艺制备了支持局域表面等离子体激元（LSP）的微纳结构，来增强硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀ (GSS)薄膜的非线性吸收效应；搭建了Z-scan光路，实现了对样品非线性折射与吸收的测量；通过对样品透射光谱的分析，揭示了GSS非线性吸收增强效应的原理。并研究了该微纳结构对不同厚度GSS非线性吸收的增强规律。文中用到的LSP微纳结构制作简单，无需复杂光刻工艺，可为增强材料光学非线性研究提供重要参考。     

液晶材料参数及盒厚测试方法的研究

本文利用表面等离于体技术和导模技术测定了银膜、SiO膜的介电常数和厚度,从而确定了液晶的介电常数和液晶盒厚度。首次将集成光学的漏模技术(m线方法)应用到测量液晶参数上,测定了液晶的折射率和液晶盒厚。     

基于Au-TiO2涂层凹槽的D形光子晶体光纤的等离激元红外传感器设计

设计了一种基于D形光子晶体光纤（PCF）的新型等离激元传感器，用于检测低折射率的微小变化，并通过有限元法（FEM）对其性能进行了数值分析。与传统D形PCF不同，本文提出在D形光纤截面处刻蚀C型凹槽通道，并涂覆Au层来激发等离激元。C形凹槽通道的设计可以增强纤芯的能量泄露以及光纤芯模和等离子体模的耦合强度。在Au层上方增覆一层TiO2介电层，可以增强对金属层的保护和提高传感器的灵敏度，将PCF表面等离谐振（PCF-SPR）传感器的工作波长范围扩展到红外区域，仿真结果得到的最大灵敏度为24236 nm/RIU。该传感器可以有效监测低折射率的微小变化，对于生物医学和有机检测及相关应用具有潜在的价值。     

金属-电介质复合材料中非局域效应诱导的偏振分光器

基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时,横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆,而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线,这是由表面等离激元诱导的非局域效应引起的.利用该多层膜结构在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出巨大差异这一特性,提出了三种偏振分光器,其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分光器.这些结果有望在偏振选择吸收体以及集成光子器件中有潜在应用.     

金属-电介质复合材料中非局域效应诱导的偏振分光器（英文）

基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时,横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆,而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线,这是由表面等离激元诱导的非局域效应引起的.利用该多层膜结构在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出巨大差异这一特性,提出了三种偏振分光器,其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分光器.这些结果有望在偏振选择吸收体以及集成光子器件中有潜在应用.     

基于液晶的太赫兹反射式波束扫描天线

提出了一种基于液晶的太赫兹电控反射式移相器及其构成的波束扫描阵列天线。通过采用液晶调控的开槽结构移相器,解决了液晶调控过程中谐振层覆盖面不足造成的液晶取向不均、边缘效应和饱和电压增大等问题。设计了工作在380 GHz三开槽的移相器,对谐振频点的表面电流分布和谐振频点进行了仿真分析。数值计算结果表明当液晶相对介电常数在2.47~3.26范围内变化,377~392 GHz频率范围内移相器能够实现360°的相移。采用三开槽结构反射相移单元,设计了工作于380 GHz的电控波束扫描阵列天线,实现了30°范围内的一维波束扫描,主瓣增益大于20 dBi。     

基于氧化锌涂层无芯光纤的氨气传感器研究

为实现大气污染物中氨气(NH₃)的快速、准确测量，本文提出了一种基于氧化锌(ZnO)涂层单模-无芯-单模(SNS)光纤结构的高灵敏度NH₃传感器。该传感器利用的是ZnO膜层吸附NH₃后自身折射率改变，进而导致无芯光纤干涉谱谐振波长发生变化的特性。通过建立NH₃体积分数与谐振波长偏移量的关系，最终实现了NH₃体积分数的测量。本文基于模式传输理论对ZnO涂层SNS传感器的光谱特性进行了仿真，仿真结果显示：当ZnO膜层的折射率从1.929变化至1.889时，60 nm和130 nm ZnO膜厚下SNS传感器的灵敏度分别为11.8 nm/RIU和28.6 nm/RIU。制备了ZnO膜厚分别为60 nm和130 nm的SNS传感器，其在NH₃体积分数为0～42.0×10^-6环境下的灵敏度相差不大，这主要是由ZnO对NH₃的吸附饱和引起的。进一步分析获得60 nm ZnO膜厚下SNS传感器的平均灵敏度为16.87×10     

Au/TiO2复合纳米结构增强热电子光电探测器宽谱响应性能

宽谱响应光电探测器在图像传感和光通信等领域应用前景广阔。金属微纳结构通过激发表面等离激元共振效应可高效产生热载流子,将它们与宽带隙半导体构成异质结构,便可利用热载流子开发出低成本宽谱响应光电探测器。研究设计了一种基于Au/TiO₂复合纳米结构的热电子光电探测器。其中TiO₂层经退火后形成尺度约为百纳米的凹凸结构,Au纳米颗粒层与用作电极的保形Au膜共同组成了激发表面等离激元共振的纳米结构。由于Au/TiO₂复合纳米结构的协同作用,该器件在400～900 nm范围内具有宽谱光吸收性能,器件的平均光吸收效率为33.84%。在此基础上,该器件能够探测TiO₂本征吸收波段以外的入射光子。例如,在600 nm波长处,器件的响应率为9.67μA/W,线性动态范围为60 dB,器件的上升/下降响应速度分别为1.6 ms和1.5 ms。此外,利用有限元法进行了仿真计算,通过电场分布图验证了Au/TiO₂复合纳米结构中所激发的丰富表面等离激元共振效应是其实现宽谱高效探测的原因所在。     

基于表面等离子体激元的硅基激光器

研究了一种超薄硅单层与掺铒硅单层/金属薄膜/硅衬底(Si:SiEr/Metal/Si,SEMS)型硅基激光器结构.利用表面等离子体激元局域增强效应提升了硅基增益介质材料在1.54μm波长点的光学增益特性.通过优化金属材料厚度、铒离子极化方向和铒离子位置等参量,减小表面等离子体激元所带来的光学损耗.结果表明,当金属材料厚度小于20 nm时,硅基激光器的净增益系数范围为1～36 cm-1.     

表面等离激元纳米结构增效的光电探测器进展（特邀）

光电探测器作为航空航天、深空探测和环境监测等领域的核心器件之一,具有重要的科学研究和实用价值。表面等离激元具有可突破光学衍射极限、实现纳米聚焦的性质,为光电探测器的性能提升提供了全新的技术手段,是近年来光电探测增效研究领域的热点之一。文中围绕表面等离激元纳米结构增效的光电探测器研究展开综述,首先介绍了各类表面等离激元纳米结构的物理特性,主要包括局域表面等离激元结构和传导型的表面等离极化激元结构,以及由表面等离激元金属和半导体材料构成的异质结构;然后重点从探测器性能、探测原理和工艺方法等角度,介绍了等离激元纳米结构增强的光电探测器的研究进展;最后对表面等离激元纳米结构增效的光电探测器及其在未来面临的挑战进行了总结和展望。     

S频段领结型贴片吸波层的设计与实验研究

研究设计了一种S频段宽带领结型贴片结构的微波吸波层.从Floquet定理可得,电磁波照射到周期结构时其反射及透射波可分解为一系列Floquet模,周期结构尺寸的减小会使得高阶模成为衰减波并抑制其反射,这一现象有利于吸波层的设计.但由于减小单元尺寸限制了单元内部贴片的尺寸,不利于周期单元在较低频段谐振.基于天线理论,选择领结型结构作为周期单元贴片,设计出了一种宽带超薄型微波吸波层.通过仿真和样品测试,该吸波层的10 dB吸波率带宽覆盖整个S频段并达到90％,而其厚度小于频段中心频点自由空间波长的1/7.