基于Tamm等离激元的微腔设计及其与激子耦合作用的研究

发布时间：2020-04-29 21:45

【摘要】：金属-分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,DBR)结构可以支持特殊的光学Tamm态(Optical Tamm State,OTS)。与金属膜支持的表面等离激元模式相比,OTS模式不仅可以更容易地同时被TE和TM偏振光激发,而且具有更窄的线宽,可以在界面处产生更强的局域电场,因而成为微纳光子学的一个研究热点,在滤波、高灵敏传感器、光开关、光逻辑器件等方面有着总要的应用前景。本论文围绕金属-DBR型的Tamm等离激元微腔设计以及Tamm等离激元与激子之间的强耦合相互作用开展了以下工作:1.金属超构表面-DBR结构中Tamm等离激元及其与激子互作用的研究。我们在传统的金属薄膜-DBR结构的Tamm等离激元微腔中,通过将金属薄膜结构化形成超构表面发现调节超构表面的结构参数可以引起光在其表面反射位相的变化,从而可以在其他结构参数不改变的条件下改变Tamm等离激元的共振位置,为Tamm等离激元模式的调控提供了更多自由度。此外,相比于传统金属薄膜-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控使得金属超构表面-DBR结构可以在更小的间隔层厚度支持共振在相同波长处的Tamm等离激元,从而可以有效降低模式体积。在此基础上,我们对比研究了金属薄膜-DBR和金属超表面-DBR两种结构中Tamm等离激元与激子的相互作用,我们发现在间隔层放入等量的少量激子时,传统的金属薄膜-DBR中仅发生无Rabi劈裂的弱耦合,而在金属超表面-DBR中发生了具有明显Rabi劈裂的强耦合。2.金属薄膜-DBR-金属薄膜结构中Tamm等离激元耦合效应及其与激子互作用的研究。我们设计了一种支持双Tamm等离激元的金属-DBR-金属结构,发现当DBR两侧间隔层厚度接近时,场局域在DBR两侧金属界面的两个共振在相同波长的Tamm等离激元模式之间会发生耦合,并且耦合强度随DBR中折射率对比度的下降而增加。通过在金属-DBR-金属结构一侧的间隔层中引入激子材料,我们模拟计算了反射谱,发现在这种情况下Tamm等离激元与激子耦合产生的Rabi劈裂大小可以达到710meV,相比于仅支持单个Tamm等离激元的金属-DBR结构中观察到的Rabi劈裂大小增加了540meV,同时厚度减少了900nm。同时,我们根据量子耦合理论模型,分析了单Tamm等离激元以及耦合双Tamm等离激元与激子的强相互作用,理论分析的结果与模拟计算一致。我们发现耦合双Tamm等离激元与激子的耦合强度相比单Tamm等离激元与激子耦合强度提高了近4倍,为实现等离激元-激子超强耦合提供了新的可行思路。
【图文】：

绪论逡逑是一维光子晶体，如图１所示。当光入射到其中一个边界上时，比如在折射率化逡逑Ｊ邋１１１１逡逑图１布拉格反射镜的示意图逡逑和７１２的界面时，光束根据菲涅尔公式进行部分反射、部分透射。考虑周期性结构逡逑的多个边界时，每个界面的反射和折射会彼此产生干扰。逡逑一般，布拉格反射镜结构中的每层介质层具有相同的光程：逡逑Ｔｉｉｄ１邋＝邋ｎ２ｄ２逡逑其中，心和心分别为折射率ｎｄｎｎ２的介质层厚度。对于特定频率￡00的光，若逡逑每层介质层的光程是自由空间波长的四分之一时，则所有反射光是同相的，发生逡逑相长干涉。对于具有足够层数的布拉格反射镜，这种相长干涉会导致在给定频率逡逑处和附近的反射率接近于１。因此，布拉格反射镜可以看作是对于特定频率的逡逑一定范围内的高反反射镜。布拉格反射镜高反频率范围称作光子带隙。在平面结逡逑构中

ｒ逦＊逡逑图２光子晶体上的表面波。（ａ）由两种电介质的双层组成的ＩＤ光子晶体；（ｂ）由介电圆柱体逡逑制成的２Ｄ光子晶体。（ｃ）邋３Ｄ光子晶体，，木桩结构，由介电棒组成。最外层可以具有与其他层不逡逑同的厚度。引自文献［６］逡逑一
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43

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本文编号：2645033