1、液晶光子学第九章液晶等离激元光子学9.2等离激元光子学和液晶基础9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件9.4总结和展望of402习题9.2 等离激元光子学和液晶基础第九章液晶等离激元光子学of403表面等离激元（Surface plasmon,SP）是金属表面自由振荡的电荷和入射电磁场（光子）相互作用而形成的一种混合型激发态。表面等离激元通常可以分为两种：9.2.1表面等离激元l 传播型表面等离激元（Surface plasmon polarization,SPP）l 局域型表面等离等离激元（Localized surface plasmon,LSP）9.2 等离激元光子学和液晶基础第九章液晶
2、等离激元光子学of404表面等离激元的激发方法：由于波矢不匹配，不能将传播的电磁波直接转换成表面等离激元。激发表面等离激元常见的方法有棱镜耦合、光栅耦合、强聚焦光束及近场激发9.2.1表面等离激元棱镜耦合法：借助于具有高折射率的棱镜，实现了表面等离激元和入射光之间的波矢的匹配。通常有Kretschmann和Otto两种结构光栅耦合法：光栅提供附加的波矢量分量，可以帮助从入射光转换成表面等离激元波9.2 等离激元光子学和液晶基础第九章液晶等离激元光子学of4059.2.1表面等离激元强聚焦光束法：（棱镜耦合的变体）近场激发法：采用尺寸远小于工作波长的探针靠近金属表面激发等离激元第九章液晶等离激元
3、光子学of4069.2 等离激元光子学和液晶基础液晶以其独特的电光和热光效应，引起了人们的广泛关注并被运用于许多实际应用之中。例如液晶显示器、电视机、投影仪、手表、手机、用于实时光学成像和自适应光学的空间光调制器、用于电信的光开关和衰减器及用于光束转向的光学相位阵列等。液晶材料和器件的研究不仅对人类的日常生活特别重要，而且对人类社会的发展也很重要。9.2.2 液晶第九章液晶等离激元光子学of4079.2 等离激元光子学和液晶基础9.2.2 液晶液晶的结构的分类向列相近晶相胆甾相第九章液晶等离激元光子学of4089.2 等离激元光子学和液晶基础在适当的处理下，可以近似获得一个具有指向矢均匀排列的
4、液晶薄层。这样整个液晶层就会表现出单轴光学对称性，两个主折射率分别为no和ne。寻常光折射率no是指电场偏振垂直于液晶取向的光，而非常光折射率ne是指电场偏振平行于液晶取向的光。液晶的有效折射率取决于入射角：液晶的双折射9.2.2 液晶光在单轴介质传播第九章液晶等离激元光子学of4099.2 等离激元光子学和液晶基础类似地，光学各向异性也是温度的函数，并且与有序参数S近似成线性比例。右图展示了折射率随温度变化的一般趋势。由右图可以看出，光学各向异性随温度升高而减小，并最终消失而转化为各向同性液晶折射率随温度法变化9.2.2 液晶液晶5CB在波长分别为546nm,589nm和633nm处随温度变
5、化的折射率，方块、圆形和三角形符号分别是波长分别为546nm,589nm和633nm处折射率的实验数据液晶光子学of4010第九章液晶等离激元光子学9.2等离激元光子学和液晶基础9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件9.4总结和展望习题9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4011液晶对等离激激元的驱动方法电场驱动光驱动表面声波驱动热驱动 磁场驱动9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4012电场驱动电场是驱动液晶器件最常用的方法：电场对棒状液晶分子有非常大的影响。当液晶分子处于电场中时，液晶分子将会被极化，分子的一端会带有正电荷，而另一
6、端会带负电荷，从而形成电偶极子。因此，液晶分子的取向沿着外部电场的方向重新排列。电场是驱动液晶器件最常用的方法。右图为Dickson设计的实验，通过使用液晶实现对金纳米孔阵列的表面等离激元的色散和透射的精确控制。在施加外置电压时，ITO衬底和金纳米片之间形成电场，液晶分子会沿着电场方向重新取向。结果，金/液晶的界面处的有效折射率发生变化，这导致表面等离激元色散关系的变化，从而改变某些等离激元模式的激发条件。这种变化显著地反映在光谱的传输调制上，并且提供了一种有源控制表面等离激元模式的方法。纳米结构和液晶等离激元开关实验装置（插图为在670nm处的开关效应）9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件
7、第九章液晶等离激元光子学of4013电场驱动Chang等人报道了一种基于特殊设计的等离激元Fano共振开关。团簇内单个纳米颗粒的局部表面等离激元共振之间的相互作用形成了Fano共振，这是团簇的集体“亮”和“暗”等离激元模式的近场耦合的结果。当破坏半圆形中心盘的纳米颗粒簇的对称性，Fano共振则与偏振相关，只能通过入射光的一个偏振态观察到。于是对于偏振方向与此方向成90的入射光，在光谱中观察不到Fano共振。纳米颗粒团簇加入到液晶中，当施加约6V的交流电压时，结构界面处的分子可以在平面中旋转90。电场使液晶分子的整体取向发生扭转，从而导致从“均匀向列态”（电压关闭）到“扭曲向列态”（电压开启）的
8、相变。由于液晶的双折射，电压引起的相变将会导致等离激元的散射光在穿过该结构时发生正交旋转。这导致在存在和不存在Fano共振的光学响应两者之间切换。八聚物金纳米颗粒团簇结构的扫描电镜图（a）和金纳米颗粒团簇结构在Von和Voff状态下的散射谱（b）9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4014光驱动全光调制的方法已被广泛应用于液晶光子学元件，如空间光调制器、滤波器、反射器等。它具有非接触调节、低功耗、易于集成等诸多优点，成为液晶器件的很好的驱动方法。相较电场调制的方法，光学调制方法具有以下三个优点：不需要导电ITO基板低功耗覆盖紫外到中红外的大范围工作窗口偶氮苯及其衍
9、生物是液晶主体中广泛使用的客体。当暴露于紫外光或可见光时，他们具有反式和顺式之间的可逆异构化动态行为。异构化将破坏宾主混合物中客体周围液晶分子的局部取向，导致液晶分子的重新排列并引起折射率发生变化。暴露在紫外光下BMAB的光谱变化，反映了其反式顺式异构化过程9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4015光驱动Hsiao等人使用4-丁基-4-甲基-偶氮苯（BMAB）诱导液晶分子的重新排列展示了光调控等离激元开关(a)在入射角为45时，光（=420nm，I=20mW）泵浦之前（实线）和之后（虚线），位于探测光束的正常入射处的光响应液晶/金纳米盘阵列（b图插图）的消光光谱
10、。(b)与同一金纳米盘阵列结合的另一个偶氮染料（甲基红）掺杂光栅中的消光光谱变化.(c)光泵浦偶氮苯掺杂液晶的响应效果。(a)(b)(c)9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4016光驱动（a）光驱动液晶等离激元彩色滤波器，改变环形孔阵列的尺寸和周期能够产生不同的颜色。(b)不同尺寸的环形孔阵列产生的彩色。（c）可重构等离激元吸收器，大小纳米盘产生两个吸收峰。（d）光敏液晶混合物用来实时调制吸收谱谷底（实验结果证实了在红外频段处25nm的调制宽度）9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4017表面声波驱动尽管由表面声波（SAW）驱动的液
11、晶与本章所讨论的等离激元光子学的联系相对松散，将其放在这里探讨表面声波驱动液晶与微纳技术集成的可能性。SAW是沿着压电基板的表面传播的声波。其低功耗和完整性使其成为重新排列液晶分子的有效方法。Liu等人已经展示了基于聚合物分散液晶（PDLC）的表面声波驱动光阀。基于聚合物分散液晶声波调控的光阀。（a）光阀效应源自于液晶分子的重新排列 （b）声波驱动光阀的实际效果9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4018热驱动温度在影响液晶折射率方面也起着重要的作用。随着温度的升高，非常光折射率ne与寻常光折射率有不同的表现。ne的导数（即）总是为负数。然而，当温度超过交叉温度时
12、，从负值变为正值。对于许多液晶，可以精确地控制依赖于温度的折射率，因此这提供了开发设计有源等离激元器件的另一有效手段。Altug课题组已经展示了使用液晶的表面等离激元的热调制，如图所示。当向列相液晶的温度从15变化到33，折射率变化大约为0.0317，因此能够调节等离激元信号的波长大约19nm。通过温度控制液晶分子从向列相向各向同性发生的相变提供了一种有效的光谱调谐方式。在相变温度下，通过仅改变大约1的温度（约相当于0.02的折射率变化）可以实现超过12nm的偏移。热控液晶实验装置及氟化钙窗和等离激元芯片之间的液晶的缩放示意图9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件第九章液晶等离激元光子学of4
13、019磁场驱动对于有源表面等离激元来说，磁场与表面等离激元功能相结合的纳米系统也是一大热点。液晶具有非常显著的磁光特性，外加磁场可以诱导液晶分子的重新排列。Liu等人证实了在向列相柱状六角形溶致液晶中由其内在的自组装特性引发的分散金纳米棒的自组装排列。在外部磁场激励下，获得了液晶分子的排列和重排列，以及随之而来的分散度良好的金纳米棒的长程取向排列。图（a）和图（b）为金纳米棒在液晶中的示意图。在厚度为0.011mm内，接近一平方英寸的样品区域中，获得了三维有序参数高达0.9的单向排列的纳米金属棒。这种单向排列的金属棒导致了强烈的表面等离子体共振的偏振敏感的效应，在图（c）和图（d）中，液晶中排
14、列的金纳米棒的消光谱随着起偏器和金纳米棒排列的取向之间的角度发生变化。这导致了与在各向同性液体中的相同金纳米棒截然不同的可切换的偏振敏感等离激元共振特性。（a）（b）（c）（d）液晶光子学of4020第九章液晶等离激元光子学9.2等离激元光子学和液晶基础9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件9.3总结和展望习题当前的挑战9.4 总结和展望of40211快速响应液晶010203目前，大多数基于液晶的等离激元光子学器件的制备都是通过在基底上的无源等离激元纳米结构上机械地组装液晶。然而，鉴于表面等离激元的物理特性，仅在等离激元纳米结构附近（通常100nm）的液晶分子层影响等离激元信号，纳米结构上的大面积均匀液晶取向仍然是一大挑战。为了在等离激元器件中实现大面积均匀的液晶取向，一种可能的方式是共同组装液晶和等离激元纳米粒子。基于共同自组装方法，实现了高达100m2的均匀区域，这对器件的设计开发很有意义。未来需求2超大双折射液晶多功能或多控制集成第九章液晶等离激元光子学液晶光子学of4022第九章液晶等离激元光子学9.2等离激元光子学和液晶基础9.3基于液晶的有源等离激元光子学器件9.4总结和展望习题习题：
