表面等离激元波导传输特性及金属纳米阵列光学手性研究

发布时间：2020-08-23 17:19

【摘要】：表面等离激元(surface plasmons,SPs)是金属表面的自由电子的集体振荡。贵金属纳米颗粒表面自由电子的集体振荡,产生不能传播的电荷密度波,称为局域的表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)。LSP能够实现局域电场增强,提高许多光学过程的效率,在表面增强光谱、生物传感等方面有着广泛的应用。沿着金属和介质之间的界面传输的表面等离激元,称为表面等离极化激元(Surface PlasmonPolaritons,SPPs)。SPPs能够突破传统的光的衍射极限,实现亚波长尺度的光信息传输与处理,从而作为信息载体在纳米光子集成回路中显示出巨大的应用潜力。本文应用有限元方法(FEM),研究了表面等离激元波导的传输特性及金属纳米阵列的光学手性响应。主要研究工作如下:1、本文设计了十字结构银纳米线波导,研究了该波导结构在可见光波段(λ=532 nm)所支持的几种模式的SPPs的分束特性,讨论了十字结构银纳米线波导端面的几何参数对不同模式的SPPs的分束特性的影响。数值计算结果表明:不同模式SPPs的有效折射率、传播长度、有效模式面积强烈地依赖于十字结构银纳米线波导端面的几何参数。此外不同模式的SPPs在十字结构三个分支的分束特性强烈地依赖于十字结构银纳米线波导端面的几何参数。研究还发现由于不同模式的SPPs的叠加,在十字结构的分支上出现了周期性电场分布,电场分布的周期依赖于十字结构银纳米线波导端面的几何参数。这种十字结构的SPPs银纳米线波导在光互联、纳米光子集成回路领域内具有潜在的应用价值。2、本文设计了 V形银纳米线复合型波导,研究了该波导结构在通讯光波段(λ = 1550 nm)SPPs的传输特性,讨论了复合波导的几何参数对SPPs的传输特性的影响。数值计算结果表明:该复合型波导能够实现较小的有效模式面积和较长的传播长度,光场的强局域性是由于V形银纳米线尖端的场增强以及金属斜面的侧向约束。此外,SPPs的有效折射率、传播长度、有效模式面积强烈地依赖于V形银纳米线的几何参数,通过计算SPPs电场能量在二氧化硅、金属银和半导体衬底硅中的分布分析了该复合型SPPs波导的传输特性与V形银纳米线的几何参数的依赖关系。3、本文提出了放置于二氧化硅介质衬底上的周期性非手性L形金属纳米阵列,研究了该非手性金属纳米阵列在斜入射圆偏振光照射下“外在手性”的圆二色性(Circular Dichroism,CD)效应,讨论了入射光的入射方向以及L形金属纳米结构的几何参数对CD效应的影响。数值计算结果表明:入射光斜入射时,非手性L形金属纳米阵列能够实现较宽频带的CD效应,并且其CD效应是可调的:CD效应的大小和符号强烈地依赖于入射光的入射方向。此外该金属纳米阵列的CD效应光谱频带范围依赖于L形金属纳米结构的几何参数。因此,这种能够实现可调谐CD效应的简单的平面结构,易于被成熟的平面制造技术制备。这些结果对设计宽频带圆偏振片具有一定的参考价值。4、本文提出了一种金属纳米棒与S形金属纳米结构组合的平面手性金属纳米阵列,研究了该阵列的圆偏振光非对称传输(Asymmetric Transmission,AT)效应,讨论了金属纳米组合结构的几何参数对AT效应的影响。数值计算结果表明:圆偏振光垂直照射下,该金属纳米阵列能够实现较强的AT效应,此外,AT效应具有鲁棒性:当纳米棒与S形纳米结构的间距在一定范围内变化时,AT效应的大小和频带范围基本不变。这些结果对设计偏振转换器具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441;TB383.1
【图文】：

示意图,表面等离激元,局域,示意图

振的固有频率强烈的依赖于其本身的形状、几何尺寸、材料属性以及周围介电环逡逑境。金属颗粒受到与其固有频率相当的光的作用下，就形成了电子的集体振动，逡逑这样就产生了如图１邋－１所示的ＬＳＰ。逡逑许多纳米结构都能够产生ＬＳＰ共振，比如常见的球形金属纳米颗粒、椭球形逡逑金属纳米颗粒、金属纳米棒，金属纳米星等。此外，构成聚合物的金属纳米颗粒逡逑之间的耦合也会产生ＬＳＰ共振，而且在构成聚合物的各个单元之间的空隙内形成强逡逑电场。除此之外，金属纳米孔洞结构也能够产生ＬＳＰ共振，周期性的金属纳米孔洞逡逑结构既能产生ＬＳＰ，也能产生沿着金属表面传播的ＳＰＰｓ。逡逑＾ｖｆｖ逡逑图１－１局域表面等离激元示意图［３ｉ］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＬＳＰ逡逑对于金属颗粒，其几何尺寸与入射光波的波长相比，小很多时，建立静电场逡逑的理想模型，求解出金属纳米颗粒的极化

方向指数,界面,麦克斯韦方程组,即心

邋１－５邋Ｔｈｅ邋ＳＰＰｓ邋ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｄｅｃａｙｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｉｎｔｅ无源麦克斯韦方程组：逡逑ｗ－中，逡逑＜邋ＶｘＨ＾＝￡ｊ邋—邋ＥｊＶ逦？邋Ｄ，邋＝邋０逡逑Ｖ逦？邋５，邋＝邋０逡逑0＿邋＝邋ｌ，２）当／邋＝邋１时，代表金属的介电常数，即￥＝￡？？；当？＿邋＝邋２常数，即心＝心；Ａ＝心Ｅ，，尽＝片及，。逡逑边界条件可得，电磁场场的切向分量在ｚ邋＝邋０处是连续的，由＾ｍｃ邋￣邋＾ｄｘ逡逑Ｈｎｕ邋＝Ｈｄｘ逡逑

波导模,结构示意图

Ｆｉｇ．邋１－８邋（ａ）邋Ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ邋Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；邋（ｂ）邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑由于Ｏｔｔｏ结构不便于实际使用，物理学家Ｋｒｅｓｃｈｍａｍｉ１：２２］在此基础上提出了逡逑—种便于操作，能够实现ＳＰＰｓ激发的结构如图１－９邋（ａ）所示，即Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ模型。逡逑该结构中棱镜与金属材料不存在空气隔离，直接接触，因此操作简单容易，目前逡逑广泛使用于科研与生产中用来实现ＳＰＰｓ的激发。该结构同样利用棱镜的全反射逡逑光波的波矢补偿，从而使得入射光波矢的水平分量与ＳＰＰｓ的波矢相匹配，在金逡逑属与介质的分界面激发出ＳＰＰｓ，并且ＳＰＰｓ的激发效率随着金属薄膜的厚度的而逡逑降低。逡逑为了提高Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ结构激发ＳＰＰｓ的效率，将棱镜和金属薄膜用一层折逡逑射率低于棱镜的介质材料隔开，即为改善了的双层Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ结构，如图ｌ－９（ｂ）逡逑所示。改进后的双层Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ结构中，光子能够遂穿棱镜与金属之间的介质逡逑材料与金属表面的自由电荷共振，从而在金属薄膜的上下两个表面都能够激发出逡逑ＳＰＰｓ。逡逑２、光栅耦合逡逑此外

【参考文献】