金屬微納結構光學現(xiàn)象的研究.pdf

1、信息時代的發(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，攜帶信息安全，可以儲存更高的信息容量等優(yōu)點，使其成為新型信息載體的首選。光子學便應運而生。目前，光子器件已嶄露頭角，可以預見其在不久的將來必將發(fā)揮著越來越重要的作用。
　　信息技術的發(fā)展對單個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的過程中，衍射極限的存在使傳統(tǒng)光子器件的尺寸遠大于工作波長，成為制約光學發(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行調控，便成為了現(xiàn)代光子學研究的一個熱點。
　　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，吸引了人們越來越多的關注。金屬微納結構能有效激發(fā)和控制表面等離子體，進而在亞波長尺寸實現(xiàn)與之相關的光學現(xiàn)象。通過對金屬微納結構的設計，人們可以根據(jù)需要將這些光學現(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)代光學技術發(fā)展的要求。在本論文中，我們主要采用時域有限差分算法，

3、計算和分析了不同金屬微納結構的光學現(xiàn)象及相關應用。具體研究成果如下：
　　(1)結合電磁場邊界條件以及電子的微觀運動規(guī)律，對由亮、亮模耦合構成的超表面結構進行了理論建模。該模型可以方便地用來分析較薄體系的散射參數(shù)，進而確定體系的其它物理參量，如介電常數(shù)、耦合強度等。為了驗證模型的有效性，我們設計了相互平行且錯開放置的兩個金屬棒陣列結構。結果表明：體系的物理參數(shù)能夠通過理論模型得到很好的反映，證實了該理論模型的有效性和合理性。隨后通

4、過對理論模型的研究還揭示了亮、亮模耦合體系下產生表面等離子體型電磁誘導透明和慢光效應的物理機制在于亮模電導率之間的相互作用。此外，對其它亮、亮模耦合結構散射參數(shù)的分析則證實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)下的其它光學現(xiàn)象，如相干完美吸收以及Fano共振等。
　　(2)基于對所建立亮、亮模耦合諧振子模型的分析，設計了工作波長在1552.8 nm、半高寬約為15 nm的相干完美吸收體。并在此基

5、礎上給出了亮、亮模耦合系統(tǒng)下實現(xiàn)相干完美吸收的設計思路：亮模間的頻率失諧對該系統(tǒng)下相干完美吸收的實現(xiàn)起著極為重要的作用；而亮模間的耦合強度以及結構周期大小可用來將相干完美吸收位置微調至所需波長處；除此之外，損耗則可以用來調控相干吸收譜線的性能。
　　(3)根據(jù)金屬微納結構間的耦合可以產生較窄Fano共振譜線的思路，設計了一個具有對稱結構的折射率型傳感器。該傳感器是由一個居于中間的‘工’字型金屬結構和兩個分別居于其兩側的金屬納米棒構

6、成。在該結構中，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’字型結構和金屬棒所構成環(huán)形結構的磁偶極表面等離子體共振模式。兩者耦合，產生Fano共振現(xiàn)象。數(shù)據(jù)仿真證實，該Fano共振可實現(xiàn)的傳感靈敏度最大可達1543 nm/RIU。當結構的對稱性被破壞時，散射譜展示出的雙Fano共振線型同樣也可實現(xiàn)較高的傳感性能。有趣的是，該結構下的Fano共振現(xiàn)象也可根據(jù)我們所建立的理論模型進行解釋。
　　(4)設計了正

7、入射條件下偏振無關的窄帶完美吸收體（在928.3 nm處吸收率超過98.6％而譜線寬度小于8 nm）。該光學器件的單元結構是由上層的方形環(huán)金屬結構和下層具有方形溝槽結構的金屬薄膜構成，兩者之間通過一定厚度的間隔層分開，以石英作為整個結構的襯底。分析表明：該窄帶完美吸收現(xiàn)象來自于下層金屬結構中兩個共振波長接近的磁共振亮模與上層金屬結構的電共振暗模之間的近場和相位耦合。因為磁共振模式具有較小的損耗，因此可以形成較窄的吸收譜線。該設計思路和方