微纳结构表面等离激元激发的理论研究及其器件设计

发布时间：2020-06-26 21:29

【摘要】：多维度的光调制手段可以极大地促进光学在各个科学等领域中的运用。但是受限于常见光学材料的色散特性,传统的光调制器件通常都具有体积大、可调范围有限、损耗大等一系列的不利因素。随着现代光学集成化需求的提高,寻找能够克服传统限制的新型光调制材料变得十分重要。表面等离激元(Surface Plasmon,SP)因其在亚波长维度内对电磁波具有强烈的局域能力,其为高效的、集成化的光学器件的设计提供了理论基础。鉴于此,本文系统深入地研究了亚波长波导和超构表面中SP激发的理论机理以及其影响因素,并在此基础上完成了相应的光学器件的设计。本文的主要内容如下:(1)研究了具有双耦合共振腔的二维金属波导中的电磁诱导透明(PIT)现象以及超敏感光传感器的设计。该波导结构是由一个波导通道连接着一个四分之三圆环形空气共振腔和一个较长的空气槽共振腔。通过计算分析了这两个共振腔对波导中传导的SP的耦合特性。因为四分之三圆环形空气共振腔可被波导模式近场激发从而视为等离激元明模式,而空气槽共振腔不能被波导模式直接激发从而视为等离激元暗模式,明暗模式的耦合产生了电磁诱导透明现象。同时由于我们设计的共振腔可以支持多级共振模式,所以在可见光和近红外波段实现了三个诱导透明窗口。结合三能级共振模型和数值计算,我们系统地分析了此诱导透明各个模式的耦合特性以及其能量转移特性。最后,通过改变二维波导中空腔的有效折射率,研究了其对透明窗口的调制作用,设计了一个在可见光和近红外波段的超敏感光传感器。(2)研究了分离的十字形石墨烯超构表面中的电磁诱导透明现象以及动态可调的光开关的设计。该超构表面的结构单元是在介质基底上放置三条尺寸相同的石墨烯条带,其中两个位于水平方向,而另外一个位于垂直方向。由于入射光的偏振方向沿着水平方向,所以入射光可以直接激发水平方向放置的石墨烯条带,从而产生水平方向的偶极共振现象。由于近场电磁能的辐射,偶极子可以间接的激发位于中间垂直放置的石墨烯条带。在此过程中,电磁能的重新分布会在透射光谱中诱导出一个共振谱峰。结合三能级共振模型和数值计算,我们系统地分析了此偶极-偶极耦合诱导透明的耦合特性以及其能量转移特性。并且利用石墨烯电导率的可调性的优势,完成了动态可调的中红外光开关的设计。(3)研究了双层“L”形超构表面的各向异性透射特性以及反对称透射器的设计。该超构表面的结构单元是:两个相同尺寸但是不等臂长的“L”形结构,它们分布在介质基底的两侧。由于两层“L”形结构之间的互补关系,使得其整体结构抑制了圆偏振光的反对称透射现象,而当线偏振光入射时会出现反对称透射现象。计算发现其对x线偏振光具有窄带的90°偏振转化功能,而对x和y线偏振光均具有宽带的反对称透射现象。我们讨论了结构手性的不同对共振特性的影响,其为反对称透射器的设计提供了更多的选择。(4)研究了具有45°对称的组合超构表面的各向异性透射特性以及相关波片的设计。该超构表面的结构单元是由一个成45°角放置金属棒分别连接着一个矩形共振环(外圈)和一个立方体共振腔(内圈)构成。结合传输线理论以及边界条件,理论上分析了其各向异性反射系数。该结构内在的物理机理为具有C_2对称性,在一定角度线偏振入射光的照射下,它的对称模式和反对称模式都会被激发。可以通过调节结构参数来调制这两个模式的光强和相位关系,最后由这两个分量进行叠加得到所需要的反射光的偏振形态。所以文中通过合理的设计立方体内部腔的尺寸大小,在通信波长(1550 nm)附近设计了超薄的宽带90°偏振转化器以及四分之一波片。结合椭圆角和旋转角的计算深入分析了其宽带特性,并结合电磁场的分布特征分析了其背后的物理机理:即磁耦合共振。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

方程中增加一个修正值，其结果为 0P 1E 。通常采用广义的介电常 来描述这一修正结果，其表达式为：22( )pi (1.7)这也就是所谓的金属的 Drude 模型，由其计算出的金的介电常数如图 1.1 所。与实验数据对比分析可知，在限制范围内的全波段中，该模型得到的介电常的实部基本与实验数值是吻合的，其差值几乎可以不计[图 1.1.（a）]；但是在见光波段，因为能级跃迁的发生，介电常数的虚部开始变大，从而使得该模型虚数部分的吻合度降低，从图 1.1.（b）中可以两者之间的差别已经较大，此时模型已不能很好的对金属进行描述。但是总体而言，自由电子气模型在一个相较宽的波频范围内是能较好的对金属的光学响应做出可靠的表述的，所以我们以利用 1.7 式研究金属表面等离激元的震荡情况。

结合以上理论分析，下面我们重点探讨表面等离极化激元的物理特性。将（1.10）带入（1.13），得到半无限大金属-电介质表面产生的表面等离极化激元色散关系为：1 201 2k (1.14)此式说明表面等离极化激元的传播同时依赖于金属和电介质的介电常数，以在实际运用中可以通过这一性质设计以及制作相关的传感器以及检测器等光相关器件。同时要说明的是，此式对于无损耗金属（介电常数虚部为 0）以及损耗金属（复数形式介电常数）的情况均成立。当为损耗金属时， 和ik 也亦复数形式，表面等离极化激元在传播过程中能量同时被损耗。如上文所说，表等离极化激元在法线方向上表现为指数衰减形式，但其也存在一个很小的传播矢。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘昶时,施维林;表面等离激元共振生物传感分析及应用[J];光谱实验室;2004年02期

2 高治文，陈丽娜，赵景星，于新，周素琼，谢文章;表面等离激元共振[J];大学物理实验;1994年02期

3 邵磊;阮琦锋;王建方;林海青;;局域表面等离激元[J];物理;2014年05期

4 ;北京大学物理学院聚焦表面等离激元研究取得重要进展[J];北京大学学报(自然科学版);2011年01期

5 ;聚焦表面等离激元研究取得进展[J];光机电信息;2011年01期

6 韩亚娟;张介秋;李勇峰;王甲富;屈绍波;张安学;;基于微波表面等离激元的360°电扫描多波束天线[J];物理学报;2016年14期

7 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

8 丁晶新;方银飞;郭超修;杨岚;夏勇;尹亚玲;印建平;;基于表面等离激元场的分子反射镜的理论研究[J];物理学报;2014年21期

9 张海黔,陶杰,顾宁;高效差分表面等离激元共振传感器[J];东南大学学报(自然科学版);2005年02期

10 张莉;赵茂雄;刘亮;孟岩;向红;何光宏;韩德专;;人工局域表面等离激元诱导的超透射（英文）[J];原子与分子物理学报;2018年02期

相关会议论文 前10条

1 王驰;郑海荣;吴燕妮;李彩霞;;纳米方盘—方框结构的表面等离激元共振特性[A];2015 年（第七届）西部光子学学术会议论文集[C];2015年

2 张兵临;;表面增强喇曼散射的受迫表面等离激元模型[A];第二届全国光散射学术会议论文集（上）[C];1983年

3 黄铁军;汤恒河;谭云华;刘濮鲲;;基于人工表面等离激元的太赫兹超聚焦探针[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C];2017年

4 张超;周永金;王卫宾;杨柳;肖前循;;基于人工局域表面等离激元的微流体乙醇传感器[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C];2017年

5 沈少鑫;单洁洁;陈慧玉;杨明明;赵峰;周勇亮;杨志林;;多模式耦合的表面等离激元增强二次谐波机理研究[A];第十八届全国光散射学术会议摘要文集[C];2015年

6 林洁;路云宁;高韶燕;;利用表面等离激元增强耦合效应实现高灵敏度传感[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年

7 郑斌;杨怡豪;沈炼;陈红胜;;基于超表面的微波表面等离激元控制[A];2018年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2018年

8 陈舒;孟令雁;沈少鑫;赵峰;骆洋;杨志林;;表面等离激元的可控激发及增强光谱研究[A];第十八届全国光散射学术会议摘要文集[C];2015年

9 刘博文;陈舒;姚旭;刘守;杨志林;王磊;任斌;;可灵活调节的表面等离激元结构的性质及其应用[A];第十九届全国光散射学术会议摘要集[C];2017年

10 陈旭东;洪炜;;表面等离激元增强/抑制共轭聚合物发光研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十一分会：π-共轭材料[C];2016年

相关重要报纸文章 前2条

1 记者 李山;德研发出世界首个表面等离激元电路[N];科技日报;2013年

2 刘霞;新型纳米激光探测技术灵敏度高成本低[N];科技日报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 商雄军;微纳结构表面等离激元激发的理论研究及其器件设计[D];湖南大学;2018年

2 朱旭鹏;表面等离激元金属纳米结构强耦合体系的设计及光谱行为研究[D];湖南大学;2018年

3 武士威;表面等离激元催化对氨基二苯二硫醚偶联反应及光谱分析[D];辽宁大学;2018年

4 高龙;基于微纳加工的表面等离激元光子回路和热效应探测研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年

5 潘柏操;人工表面等离激元传输特性研究[D];东南大学;2017年

6 高永潘;表面等离激元及介质腔性质研究[D];北京邮电大学;2018年

7 章可俊;金属纳米颗粒表面等离激元模式的计算模拟研究[D];中国科学技术大学;2018年

8 邓茜;基于表面等离激元的激光器与传感器的研究[D];武汉大学;2018年

9 徐俊s

本文编号：2730918