金属光子结构与超快等离激元特性研究

发布时间：2020-06-10 10:46

【摘要】：金属光子结构由于其中的表面等离激元特性而表现出新颖、丰富的光物理学响应,因此在表面增强拉曼散射、生物传感器、激光器、光波导、光电子器件等方面有着广泛的应用。高效、低廉和大面积的制备方法对于金属纳米光子结构的光物理学研究与应用具有非常重要的意义。同时,金属光子结构中的等离激元不仅体现在局域场增强效应,而且还具有超短的时间寿命,因此在超快全光开关应用中表现出独特的性能。本论文主要从三个方面研究了金属光子结构及等离激元的超快物理学性质:(1)研究具有低成本、高效率、大面积等优势特点的金属纳米结构的制备方法,为相关物理学研究和光子器件的研制提供新手段。(2)研究三维金属光栅结构中的光子-杂化等离激元耦合模式的超快物理学过程,为超快光学开关器件的研制提供新方法。(3)研究金属半球纳米壳结构中多极性等离激元的超快物理学过程及光学开关器件,为全光开关器件提供新的物理学思想和技术方法。重点包括以下内容:(一)综述了金属光子结构的发展和研究现状,以及等离激元光子结构在多个领域中的应用,着重描述了等离激元超快光物理学过程及其在全光开关中的应用,同时回顾了金属光子结构的多种制备方法。针对现有制备方法所存在的局限性,我们提出了具有低成本、高效率和大面积制备优势的新方法。(1)基于激光干涉灼蚀直写技术,研究了金膜中直写金属光子结构过程中涉及的热传导问题。(2)利用光纤作为导光系统,提出了柔性干涉灼蚀直写方法,实现了大面积金属光子结构的制备。(3)利用光还原效应,提出了紫外光还原银离子制备大面积金属光子结构的新方法。系统研究了制备过程中涉及的物理机理和影响因素。这些经济、高效的制备方法为金属光子结构物理学研究和应用奠定了技术基础。(二)研究了三维金属纳米线光栅结构的窄带光谱学响应特性。阐明了窄带共振模式对应的瑞利反常衍射与杂化型等离激元间的Fano耦合效应。利用飞秒泵浦-探测技术研究了窄带耦合模式的超快动力学过程,揭示了该共振模式在飞秒泵浦光脉冲激发下产生光谱红移的物理机理。进一步利用该耦合模式实现了效率达22.4%的超快全光开关器件。(三)研究了金属半球纳米壳结构中多极性等离激元及其中的超快光物理过程,实现了超快全光开关效应。利用稳态光谱学方法研究了金属纳米壳阵列结构中的单向、多极性等离激元共振模式等光谱学响应特性,确认了其中的偶极子和六极子两种等离激元的物理学属性。利用飞秒泵浦-探测技术研究了六极子和偶极子等离激元的超快物理过程,阐明了在泵浦光激发下偶极子等离激元发生光谱红移及六极子等离激元发生光谱展宽的物理规律,并利用偶极子等离激元获得了25%的开关效率和270 fs的开关速度。
【图文】：

曲线,介电常数,虚部,实部

(1-5) 式为金属自由电子在外界电场作用下的振荡模型，即 Drude 模型，它描述了金属介电常数与入射光电场频率之间的关系。由表达式可知，自由电子的介电常数是一个复数 ( ) = ( ) ( )，其实部和虚部分别表示为： ( ) = (1-6a) ( ) = ( )(1-6b)为了验证 Drude 模型的准确性，利用(1-6)式中实部和虚部的函数关系对贵金属金的实验数据[45]进行拟合，如图 1-1 所示。当入射电场的能量小于金的带间跃迁能量 ΔE = 2.4 eV 时，Drude 模型的拟合曲线与实验数据相吻合，说明该模型在此频域内能够很好地反映金属中自由电子的运动。当入射电场能量大于金的带间跃迁能量时，Drude 模型与实验数据相差较大，这是由于价带中的电子在吸收光子能量后向导带跃迁，从而对导带中的自由电子运动产生影响。当忽略电子间的相互碰撞(γ= 0)时，可以得到无衰减情况下的介电常数： ( ) = (1-7)

示意图,表面等离极化激元,交界面,金属

1-2 金属/介质交界面激发的表面等离极化激元[38]。urface plasmon polaritons excited at dielectric-metal inter激发表面等离极化激元的示意图。该模型是由介 > 0)和介常数为m(ω)的金属(z < 0)构成，，其中部 Real[m(ω)]为负数，|Real[m(ω)]| >> |Im[m(部电荷和电流密度的情况下，根据麦克斯韦方 = = = = 将(1-8b)式代入可得： = 变电场 ( ) = ( ) 可得到如下关系式： = 波在真空中的波矢，(1-10)式称为亥姆霍兹方程面等离极化激元沿着 x 方向传播，且在 y 方向
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43;TG111

【参考文献】