金屬微納結(jié)構(gòu)光學(xué)現(xiàn)象的研究.pdf

1、信息時(shí)代的發(fā)展需求更高效率的信息與能量載體。相比于電子，光子因其具有傳播速度快，能耗低，抗干擾能力強(qiáng)，攜帶信息安全，可以儲(chǔ)存更高的信息容量等優(yōu)點(diǎn)，使其成為新型信息載體的首選。光子學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生。目前，光子器件已嶄露頭角，可以預(yù)見其在不久的將來必將發(fā)揮著越來越重要的作用。
　　信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)單個(gè)器件尺寸的要求越來越小。在光子器件向小型化和集成化邁進(jìn)的過程中，衍射極限的存在使傳統(tǒng)光子器件的尺寸遠(yuǎn)大于工作波長，成為制約光學(xué)發(fā)展的最大因素

2、。因此，如何突破衍射極限將光限制在亞波長尺寸上進(jìn)行調(diào)控，便成為了現(xiàn)代光子學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　表面等離子體因其能突破衍射極限而將光子器件縮減至亞波長尺寸，吸引了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。金屬微納結(jié)構(gòu)能有效激發(fā)和控制表面等離子體，進(jìn)而在亞波長尺寸實(shí)現(xiàn)與之相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象。通過對(duì)金屬微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，人們可以根據(jù)需要將這些光學(xué)現(xiàn)象‘編輯’成具備不同特性和功能的光子器件，從而滿足現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。在本論文中，我們主要采用時(shí)域有限差分算法，

3、計(jì)算和分析了不同金屬微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)現(xiàn)象及相關(guān)應(yīng)用。具體研究成果如下：
　　(1)結(jié)合電磁場邊界條件以及電子的微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)由亮、亮模耦合構(gòu)成的超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論建模。該模型可以方便地用來分析較薄體系的散射參數(shù)，進(jìn)而確定體系的其它物理參量，如介電常數(shù)、耦合強(qiáng)度等。為了驗(yàn)證模型的有效性，我們?cè)O(shè)計(jì)了相互平行且錯(cuò)開放置的兩個(gè)金屬棒陣列結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：體系的物理參數(shù)能夠通過理論模型得到很好的反映，證實(shí)了該理論模型的有效性和合理性。隨后通

4、過對(duì)理論模型的研究還揭示了亮、亮模耦合體系下產(chǎn)生表面等離子體型電磁誘導(dǎo)透明和慢光效應(yīng)的物理機(jī)制在于亮模電導(dǎo)率之間的相互作用。此外，對(duì)其它亮、亮模耦合結(jié)構(gòu)散射參數(shù)的分析則證實(shí)了該理論模型的普適性。需要指出的是，該理論模型還可用于分析亮、亮模耦合系統(tǒng)下的其它光學(xué)現(xiàn)象，如相干完美吸收以及Fano共振等。
　　(2)基于對(duì)所建立亮、亮模耦合諧振子模型的分析，設(shè)計(jì)了工作波長在1552.8 nm、半高寬約為15 nm的相干完美吸收體。并在此基

5、礎(chǔ)上給出了亮、亮模耦合系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)相干完美吸收的設(shè)計(jì)思路：亮模間的頻率失諧對(duì)該系統(tǒng)下相干完美吸收的實(shí)現(xiàn)起著極為重要的作用；而亮模間的耦合強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)周期大小可用來將相干完美吸收位置微調(diào)至所需波長處；除此之外，損耗則可以用來調(diào)控相干吸收譜線的性能。
　　(3)根據(jù)金屬微納結(jié)構(gòu)間的耦合可以產(chǎn)生較窄Fano共振譜線的思路，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的折射率型傳感器。該傳感器是由一個(gè)居于中間的‘工’字型金屬結(jié)構(gòu)和兩個(gè)分別居于其兩側(cè)的金屬納米棒構(gòu)

6、成。在該結(jié)構(gòu)中，體系的亮模來自兩金屬納米棒的偶極共振模式，而體系的暗模則來自于由‘工’字型結(jié)構(gòu)和金屬棒所構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁偶極表面等離子體共振模式。兩者耦合，產(chǎn)生Fano共振現(xiàn)象。數(shù)據(jù)仿真證實(shí)，該Fano共振可實(shí)現(xiàn)的傳感靈敏度最大可達(dá)1543 nm/RIU。當(dāng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性被破壞時(shí)，散射譜展示出的雙Fano共振線型同樣也可實(shí)現(xiàn)較高的傳感性能。有趣的是，該結(jié)構(gòu)下的Fano共振現(xiàn)象也可根據(jù)我們所建立的理論模型進(jìn)行解釋。
　　(4)設(shè)計(jì)了正

7、入射條件下偏振無關(guān)的窄帶完美吸收體（在928.3 nm處吸收率超過98.6％而譜線寬度小于8 nm）。該光學(xué)器件的單元結(jié)構(gòu)是由上層的方形環(huán)金屬結(jié)構(gòu)和下層具有方形溝槽結(jié)構(gòu)的金屬薄膜構(gòu)成，兩者之間通過一定厚度的間隔層分開，以石英作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的襯底。分析表明：該窄帶完美吸收現(xiàn)象來自于下層金屬結(jié)構(gòu)中兩個(gè)共振波長接近的磁共振亮模與上層金屬結(jié)構(gòu)的電共振暗模之間的近場和相位耦合。因?yàn)榇殴舱衲Ｊ骄哂休^小的損耗，因此可以形成較窄的吸收譜線。該設(shè)計(jì)思路和方