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纳米尺度的颜色路由效应

发布:HPLlaser    |    2019-06-29 22:47    阅读:116
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由于不同多极等离子体模式不同的远场行为,单个粒子水平上的银(Ag)纳米棒中观察到两种类型的颜色路由效应,这使得可调色分选具有良好的波长选择性。

光子技术对于现代信息和通信技术的发展非常重要,其中光作为携带信息和处理信号的媒介。 光子学可以实现超出传统电子技术限制的高速和宽带数据处理。光传播的操纵对于光子学应用是必不可少的。操纵光传播的传统方法需要使用庞大的光学元件。在小型化的规模上限制或路由光是非常苛刻和挑战的,特别是在接近光衍射极限的纳米尺度上。因此,用于光学操作的纳米级光学元件的开发对于光子学技术的发展是至关重要的。

目前已知贵金属纳米颗粒显示出局部表面等离子体共振的独特光学性质,其由入射光辐射引起的导带电子的集体振荡产生。这种独特的光学特性允许光聚集在亚波长尺度内,这使得纳米尺度的光操作能够克服衍射极限。等离子体纳米结构可以操纵光传播,导致诸如具有受控偏振和传播方向的光发射,隐形眼镜和颜色路由的现象。对于全光通信设备和波长编码信息非常需要颜色路由,其中??不同颜色的光被分类到纳米级的不同方向上。然而,纳米级颜色路由非常具有挑战性,因为它同时需要良好的波长选择性和方向性。

到目前为止,基于等离子体干涉的纳米级色彩路由已经在一些精确设计的具有多个元素的纳米结构中得到证实。这些先前的方案需要仔细设计和控制具有复杂几何形状的等离子体纳米结构,且等离子体纳米结构需要通过复杂的纳米制造技术制备。最近,研究实现了单粒子水平上银纳米棒的高阶等离子体模式的两种不同的颜色路由效应。这些银纳米棒可以使用湿化学方法以低成本大规模地制备。

另外,新方案基于银纳米棒的纵向多极等离子体模式。这些高阶等离子体模式在以前的研究中通常被忽略,因为它们通常被认为是“暗模式”,这是常规远场方法无法研究的。然而,随着Ag纳米棒的长度增加到与可见光的波长相当,延迟效应将变得重要,其可以通过常规光学光谱学和成像技术方便地获得这些多极等离子体模式。因此,具有高纵横比的Ag纳米棒将显示出明显的远场行为。发现两种不同长宽比(390×64 nm和567×66 nm)的单个银纳米棒的暗场图像显示红-蓝-红或绿-红-绿图案,这是以前从未有过的新现象报道。数值模拟证实,这些模式的物理机制属于具有奇数和偶数对称性的纵向多极等离子体共振的不同的远场行为。对于具有奇对称模式的模式,电磁波沿着中心平面辐射,而对于具有均匀对称性的多极模式,这些波倾斜地辐射到远场中。取决于银纳米棒的纵横比,与不同对称性的多极模式相关联的不同颜色的光将沿纳米棒的不同方向散射,表现出颜色路由效应。在单个粒子水平上实验观察到两种具有不同图案的颜色路由现象(图1。b)。

a)具有奇数和偶数对称性的多极模式的不同散射方向; b)具有不同宽高比的Ag纳米棒的两种不同颜色路由现象,具有不同的颜色搭配(红-蓝-红和绿-红-绿)

观察到的颜色路由现象仅依赖于具有不同对称性的长银纳米棒的多极等离子体模式的不同远场行为。它不需要特殊的几何形状和仔细的尺寸优化,因此,纳米加工过程显著简化。这些多极等离子体模式的带宽通常很窄,其中心波长由纵横比决定,这提供了可调色彩路由效果和良好的颜色选择性。虽然仅用银纳米棒用作说明性实例,但该策略可以扩展到其他等离子体纳米结构,例如具有高纵横比的金纳米棒。除了颜色路由效应之外,精心设计的支持多极等离子体模式的等离子体纳米结构也可用于纳米尺度的其他光操作功能,例如纳米激光器和天线。这些研究将显著提高等离子体装置的多功能性,促进纳米光子技术的发展及其在不同领域的实际应用,如非线性光学,光电子学,信息技术,光通信,传感和成像。

 

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