金属光栅和微纳结构中等离子体共振特性及机理研究

【摘要】摘要：Ebbesen在实验上首次发现了具有亚波长小孔阵列的非透明金属薄膜对光波的异常传输现象。随后关于表面等离子体亚波长光学的研究引起了人们极大的兴趣,不仅是其背后丰富的物理激发机理,更重要的是其蕴藏着巨大应用价值,而且渗透到许多相关领域。本论文结合表面等离子体亚波长光学及电磁场相关理论,运用时域有限差分(FDTD)方法,针对复合结构,异质结构,微纳谐振器结构,纳米管及其阵列结构等模型的表面等离子体共振传输现象、相位共振和等离子诱导透明特性等展开研究。本论文的主要研究内容如下：1.构建了复合金属光栅,并研究其相关光学传输特性。首先讨论了通过结构的差异来构建复合光栅,如：在双狭缝金属光栅的两个狭缝内分别引入凸起结构。当引入的凸起结构在两狭缝内对称分布时,相比较于直通道狭缝光栅的情况,狭缝内局域波导共振奇偶模式表现出不同的变化特性,奇模发生蓝移,偶模则表现出红移。当引入的凸起结构在两狭缝内非对称分布时,相比较于对称分布的情况,局域波导共振峰发生劈裂现象,且劈裂现象可以通过改变两个凸起结构的位置、尺寸来调制,而且劈裂现象对于两个狭缝中一个设置凸起和另一个设置缺口的复合光栅的调制更加敏感。劈裂现象形成的机理通过相位共振机制和场分布情况进行了分析与讨论。从场分布情况可知：在某些特定波长可以实现光场从两个狭缝中的任意一个狭缝通过的选择,从而实现了光通道选择器的构建。其次,复合金属光栅也可以通过介质因素的差异来构建复合光栅。研究了介质因素对金属光栅相位共振的影响,结果发现：相位共振劈裂现象对介质的调制作用非常敏感,两个狭缝内的介质稍有差异,狭缝内所有的局域波导共振模式都出现了非常明显的劈裂现象,甚至出现了传输透射为O带隙结构,并对相关的机理进行了分析和讨论。2.构建了异质结构金属光栅。不同的金属或金属的比例在狭缝光栅的表面等离子体行为中也发挥了至关重要的作用。我们提出了由不同层数、不同狭缝宽度和厚度组成的多层Au/Al金属薄膜包围的纳米金属光栅,并讨论了它的光学传输性能。结果表明：相比较于传统的单一金属(金)光栅,随着金属(铝)比率的增加,光栅狭缝内局域波导共振模式都展现了蓝移,其共振峰值先出现了衰减而后增加,由此可以根据适当的金属比例来设计光学器件。另外,光学传输特性还可以通过光栅的不同层数、不同狭缝宽度和厚度进行调制,一个由多层异质金属狭缝光栅构建而成的亚波长滤波器可以在可见光波段范围内得到实现。3.研究了一对C型谐振器的非对称和对称耦合,前者呈现出非常明显和典型的等离子诱导透明特性,这种现象源于共振频率非常接近但质量因子又不同的亚辐射和超辐射模式(或暗模式和明模式)之间的非对称耦合；这一诱导机制同时通过共振杂化理论和诱导电流得到很好的诠释。同时,发现等离子诱导透明特性也能采用对称的C型谐振器来实现,亚辐射和超辐射模式(暗模式和明模式)之间的对称耦合同样能产生等离子诱导透明特性。实际上,包括对称和非对称结构,近场之间的相位耦合是等离子诱导透明特性的真正原因。相对于非对称耦合,对称耦合中的等离子诱导透明特性明显减弱,因此,对称性破缺不是产生等离子诱导透明特性的唯一先决条件,但是它扮演着非常重要的角色。这不仅提高了对于产生等离子诱导透明特性的认识,也进一步加深了对近场等离子相干干涉的理解。4.研究了单个环形纳米管,环形纳米管二聚物以及阵列结构的表面等离子共振光学传输特性,尝试建立从单个纳米管到二聚物和阵列结构的表面等离子共振的形成和演化规律。并研究了方核纳米管阵列结构的光学传输特性。结果表明：从可见光到近红外波段,透射谱中从长波方向到短波方向表面等离子共振模式依次可以分为偶极子、四极子和六级子等共振模式。发现结构参数和介质参数等因素对光学传输特性有显著的调制作用,透射谱中模式的共振峰出现了蓝移、红移、合并、分裂、衰减和增强等现象,并对相关现象的机理以及场分布情况进行了分析和讨论。
【作者】刘志敏；
【导师】李宏建；
【作者基本信息】中南大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】表面等离子体共振；局域波导共振；相位共振；金属光栅；微纳结构；等离子诱导透明；

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