复合纳米天线中光的多极共振及增强二次谐波研究

发布时间：2020-06-04 10:56

【摘要】：表面等离激元可以把光限制在亚波长尺寸的纳米结构表面。基于这一特性,表面等离激元共振可以增强各种线性和非线性光学效应,被广泛的应用于物理、化学和生物医药等众多领域。表面等离激元可分解为不同的共振模式,大的方面可以分解为电模式和磁模式。而电模式和磁模式又可以分解为偶极、四极和更高阶的模式。每一种共振模式都有各自的特点,合理的模式匹配可以显著提高等离激元增强各类光学效应的效率。表面等离激元共振模式间的相干耦合(也称模式杂化)大大提高多极模式的可调性。而本文主要研究了复合纳米结构中的等离激元模式杂化,揭示包括纯磁模式在内的高阶低辐射损耗模式特点,并研究通过模式匹配增强二次谐波。具体研究内容见如下四个方面:第一,在增益辅助的复合纳米结构中,研究了背景介质的折射率对增益阈值的影响。充分利用了金属“尖端效应”对周围介质的高敏感性,我们设计了双锥形核壳纳米结构。在双锥形核壳纳米结构中,随着背景介质的折射率减小,相应的纳米系统的增益阈值也随之降低。具体的,当背景介质的折射率从1.69降到1.33时,增益阈值会降低26.6%。我们的研究结论对设计相关低增益阈值纳米器件有借鉴和指导意义。第二,我们研究了多聚体中等离激元多极共振模式的辐射损耗及其增益阈值特征。由于相位延迟带来的对称破缺,高阶电模式和磁模式可以被有效激发。不对称的耦合导致高阶等离激元共振模式的偶极矩被大大降低。理想状况下,近乎为零的偶极矩意味着非常小辐射损耗。相比单核壳纳米球中的偶极模式,这些高阶低辐射损耗模式的增益阈值显著降低。此外,低辐射损耗模式可以更有效的把光限制在纳米结构的表面,带来了更大的近场增强。同样,在一个纳米系统中增益阈值的高低在很大程度上反映相应共振模式的损耗高低,可以作为衡量一个共振模式损耗大小标准。我们的结论可以用于设计等离激元波导和纳米激光器。此外,低辐射损耗模式非常有利于增强光热效应。第三,在银-电介质-金-电介质四层核壳纳米球中,引入增益介质不仅可以弥补等离激元共振中光的损耗,而且可以激发四极模式。在倍频处,二次谐波可以和增益激发的四极模式相互作用,并被剧烈增强。此外,基频和倍频处的等离激元共振可以同时或者单独与增益介质耦合。从而我们可以清晰的观察到基频和倍频处的模式匹配对二次谐波增强的贡献。我们的不仅设计出非常高效的增强二次谐波纳米器件,而且揭示一种重要的方法,即如何在中心对称结构中通过倍频处的模式匹配增强二次谐波。第四,金属-高折射率复合纳米天线中的Fano共振导致纯的高阶磁模式被激发。在贵金属(银或者金)和高折射率的电介质(铝砷化镓)复合纳米天线中,高阶Fano共振可以被观察到,这些高阶Fano共振导致电偶极、电四极和磁偶极共振分量被有效抑制。当磁四极模式的共振峰被调整到Fano凹陷波长处,纯高阶磁模式被激发。此外,伴随着能量转移,在Fano凹陷波长处,磁四极共振被大大增强。被增强的纯高阶磁共振在二次谐波增强方面展现出非常强的能力。我们的发现对于未来设计功能超材料有非常重要的意义。
【图文】：

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＾ｙ＞逡逑１邋ｅ邋ｃｌｏｕｄ邋ＸＥｌＵＸ逡逑图１．１金属纳米球中的等离激元振荡示意图，在入射光场驱动下，电于云相对于原子核发生逡逑移动并且来回振荡。［摘自邋Ｊ．邋Ｐｈｙｓ．邋Ｃｈｅｍ．邋Ｂ邋１０７，邋６６８－６７７邋（２００３）］逡逑如图１．２，以金属（这里选银）纳米球为例，局域等离激元共振纳米球的外逡逑部近场分布可由准静态近似法得到，逡逑Ｅ，Ｖ邋—述松费］逦（１－３）逡逑这里，ＣＣ表示纳米球的极化率，和￡分别是单位矢量。Ｅ。是入射电磁波的电逡逑场，ｒ是纳米球的半径。上式第二项是感应电场，其强度沿着垂直球面向外呈指逡逑数下降，图１．２中的感应电场分布也印证了这一物理现象。逡逑１１逡逑图１．２真空中半径为３０邋ｎｍ的银纳米球在波长为３６９邋ｎｍ处的电场近场分布。［摘自Ｊ．邋Ｐｈｙｓ．逡逑Ｃｈｅｍ．邋Ｂ邋１０７

示意图,等离激元,金属纳米,原子核

图１．１金属纳米球中的等离激元振荡示意图，在入射光场驱动下，电于云相对于原子核发生逡逑移动并且来回振荡。［摘自邋Ｊ．邋Ｐｈｙｓ．邋Ｃｈｅｍ．邋Ｂ邋１０７，邋６６８－６７７邋（２００３）］逡逑如图１．２，以金属（这里选银）纳米球为例，局域等离激元共振纳米球的外逡逑部近场分布可由准静态近似法得到，逡逑Ｅ，Ｖ邋—述松费］逦（１－３）逡逑这里，，ＣＣ表示纳米球的极化率，和￡分别是单位矢量。Ｅ。是入射电磁波的电逡逑场，ｒ是纳米球的半径。上式第二项是感应电场，其强度沿着垂直球面向外呈指逡逑数下降，图１．２中的感应电场分布也印证了这一物理现象。逡逑１１逡逑图１．２真空中半径为３０邋ｎｍ的银纳米球在波长为３６９邋ｎｍ处的电场近场分布。［摘自Ｊ．邋Ｐｈｙｓ．逡逑Ｃｈｅｍ．邋Ｂ邋１０７，邋６６８－６７７邋（２００３）］逡逑传输表面等离激元是光沿着平的金属表面传播，但是同样因为损耗而逐渐减逡逑弱。这种减弱取决于共振波长处金属的介电常数
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

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