超构材料中磁场增强效应的新方法及机理研究

发布时间：2020-06-16 08:49

【摘要】：众所周知,在纳米光子学中,磁场增强和电场增强一样重要。因此,获得光学波段的巨大磁场增强在许多领域具有潜在的应用价值,例如磁场非线性产生的二次谐波和磁传感器等。然而,在光与物质相互作用中,光的磁场分量所扮演的角色几乎可以忽略,这是因为光的磁场分量在电荷上所施加的作用力远小于其电场分量在电荷上所施加的作用力。因此,如何在光学波段获得能与电场增强可比拟的磁场增强,对未来纳米光子学的应用研究具有重要意义。论文首先主要介绍了表面等离激元的一些基础概念、特点、现象,以及目前表面等离激元学领域最新的研究进展。其次,通过对新进展的分析,系统介绍了关于超构材料实现磁场增强效应的相关理论。最后,本论文创新性地提出了两种超构材料中光学波段磁场增强的新方案。论文内容包括以下两个方面:1、提出利用SiO_2介质纳米柱将超构材料支撑起来而悬浮在空气中可以实现超构材料中磁共振的衍射耦合效应。我们研究表明,在SiO_2圆柱顶起来的成对的金属纳米圆盘组成的二维四方阵列中,磁共振能够通过远场衍射耦合产生表面晶格模式。伴随这种表面晶格模的激发,我们预见了成对的金属纳米圆盘内部的磁场被极大增强;表面晶格模在金属纳米圆盘对内部产生的最大磁场强度,比纯粹磁共振的局域磁场提高了近5.6倍,达到入射光磁场强度的846倍。此外,我们研究还发现,要实现这种衍射耦合,表面晶格模式的磁场分量必须平行于金属纳米圆盘对中磁共振诱导的磁矩。2、研究了超构材料中的光学波导模与磁共振之间的相互耦合效应。单个成对的金属纳米圆盘可以通过金属圆盘之间的等离激元近场耦合形成一个磁共振模式,而成对的金属纳米圆盘周期性的排列可以导致其相邻介质波导中的光学波导模式的激发。我们研究发现,当调节阵列的周期使光学波导模的位置与磁共振的位置接近时,这两种模式将产生强烈的远场耦合,从而在透射光谱中产生两个窄带的杂化共振模。此外,我们还提出利用一个耦合双振子模型预测了这两个杂化模式的位置;在强耦合区,这两个杂化模式展现出明显的反交叉,从而在透射光谱中呈现出有趣的Rabi劈裂现象。伴随这两个杂化模式的激发,我们还预见了成对的金属纳米圆盘对内部的磁场被极大增强,这种巨大的磁场增强在磁非线性和磁传感器等领域具有重要的应用前景。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.5
【图文】：

表面等离激元,金属纳米,局域

使金属表面电场强度，磁场强度得到增强，这（Surface Plasmon Resonance, SPR）现象。这类现象其实具受到金属纳米结构的材料，尺寸大小以及周边介电常数的束缚特性会给金属表面带来了巨大的局域电磁场增强，故 Surface Plasmon, LSP）。局域表面等离激元应用非常广泛强、表面增强拉曼光谱、表面等离激元光催化等。而且随备出多种不同的结构，例如形状不同的纳米颗粒、纳米对[10-14]。在这些研究的技术的基础上，等离激元共振技术已、太阳能电池等各个领域[15-18]。离激元中金属颗粒表面上的价电子会往复振荡，且这种振附近（如图 1.1 所示），类似于金属纳米球、棒、圆盘这类面等离激元共振。除此之外，纳米颗粒之间的耦合也能够米颗粒之间的某部分区域能够观察到非常强烈的电磁增强[

激元,极化激元,金属纳米,结构表面

图 1.2 金属纳米结构表面等离极化激元1.2 可知，表面等离激化激元的能量在传播过程中不断衰减，我们将能量衰减到距离定义为传播长度，因此我们能够推导出传播距离的计算公式： = ( )。 (1究表明，在可见光波段，表面等离激元在自然界中的大部分金属的表面传播的只有几微米到几十微米，而且如果表面等离激元的方向是垂直于表面的场方向将随传播距离成指数衰减，这种场也称为消逝场。逝场的存在使得表面等离激元不具有辐射特性，从而阻止了能量从表面传播出在金属表面。正是由于这种束缚性，人们才会开始会对表面等离极化激元产生。人们发现通过改变金属表面的结构，能够改变等离激元与光波的相互作用，的可控性。利用表面等离激元的传导性质可以突破光的衍射极限，使其在金属播，希望通过利用表面等离激元光波导实现更高集成度的光子芯片，大幅提高

【参考文献】