金属纳米结构的Fano共振及Spaser特性研究

金属纳米结构的Fano共振及Spaser特性研究

作者:师大云端图书馆 时间:2015-08-18 分类:期刊论文 喜欢:2772
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【摘要】随着纳米加工技术的迅速发展,金属纳米结构的尺寸可以达到纳米量级。金属纳米结构的表面等离激元共振有很强的局域电场增强特性,对金属结构参数和环境的变化特别敏感,使其在化学生物传感器件、表面增强拉曼散射、二次谐波产生等方面有着广泛的应用。本论文主要研究金属纳米结构的表面等离激元特性。首先设计了棒-同心矩形环盘结构,对其所支持的Fano共振及基于Fano共振的表面等离激元受激辐射放大(Spaser)进行了研究;再次,研究了飞秒激光诱导不锈钢表面周期纳米条纹的机制,主要讨论了表面等离激元所起的作用。主要研究结果如下:(1)Fano共振是减小共振线宽和增强光谱灵敏度的重要方法之一,实现窄线宽和高对比度的Fano共振是一个重要的研究目标。我们用Comsol软件设计了一个棒-同心矩形环盘金属纳米结构,实现了四极Fano共振现象。通过调节矩形环盘中环盘的间隙,或者是棒与环的间隙来操控Fano共振的线宽和对比度。当环盘间隙为5nm,棒环间隙为20nm时,四极Fano共振的线宽只有0.025eV,对比度能高达80%,此时的探测灵敏度FOM也能达到15。这种金属纳米结构在生物化学传感中有广泛的应用前景。(2)我们提出了基于棒-同心环盘结构Fano共振的等离激元激射,它是利用Fano共振中对同心矩形环盘结构的暗态四极共振的激发,并通过增益介质所提供的能量对其进行损耗补偿和放大来实现的。基于此暗态等离激元放大的激射具有很高的Purcell因子3.24×107,很高的信噪比(SNR)为4.4×106和较低的阂值0.02086。这些良好的光学特性都归因于暗态四极共振模式的局域电场增强和被抑制的辐射损耗。在以后的发展中,如何减小金属的损耗是表面等离激元激光器的一个研究热点和重点,而暗态模式的表面等离激元的激发为此提供了一个新思路。(3)飞秒激光在金属材料表面诱导周期纳米条纹结构时,表面等离激元起着非常重要的作用。我们研究了800nm飞秒激光在不锈钢表面诱导形成的周期纳米条纹结构和其形成的物理过程。在不锈钢表面发现了LSFRs(A>0.45λ)、MSFRs(0.2A<A<0.45λ)和HSFRs(A<0.2λ)三种周期的条纹结构。其中LSFRs就是入射光与表面等离激元相互作用的结果,而HSFRs是LSFRs两次分裂的结果,其周期只有100-130nm,入射光波长的1/6-1/8。我们理论模拟的结果表明,在LSFRs条纹不断加深的过程中,由于局域表面等离激元使得电场先局域到条纹凹槽的内部,使得条纹进一步加深。当深度大于形状共振深度时,就会破坏条纹的形状共振,电场会溢出凹槽而局域到条纹的突起上,这就使得条纹会发生了分裂。条纹的分裂过程会受到脉冲数、功率密度、样品所处的周围的介电环境以及样品的热学参数的影响。我们制备的HSFRs条纹周期,在超材料、数据存储以及纳米光电子学等领域具有广泛的应用前景。
【作者】霍燕燕;
【导师】贾天卿;
【作者基本信息】华东师范大学,光学,2014,博士
【关键词】金属纳米结构;表面等离激元;Fano共振;Spaser;

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