Fano共振型电磁超结构的设计和性能研究

发布时间：2018-04-04 22:10

本文选题：Fano共振　切入点：电磁超材料　出处：《郑州大学》2016年博士论文

【摘要】：对光与物质相互作用的理解以及实现对光及电磁波的操控,一直是人们所追求的目标,也是科技领域至关重要的研究课题。近年来,随着纳米技术的不断发展和进步,人们可以制备出具有任意形状且规则排列的纳米结构。电磁超材料(Metamaterials)是通过周期性排列亚波长结构单元而构成的一种新型人工光学材料,其电磁性能主要依赖亚波长结构单元的几何形貌、排列方式等。通过人为设计结构单元,电磁超材料可以实现自然界常规媒质所不具备的奇异电磁特性,为人类操控光及电磁波提供了新的途径。亚波长结构单元的材料通常选用金属。金属结构单元与电磁波相互作用时,入射光子会驱动金属表面可迁移的自由电子发生集体振荡,产生一种特殊的共振模式-表面等离激元。Fano共振起源于金属结构单元中超辐射态(亮态)和亚辐射态(暗态)等离激元共振模式的干涉。相比常规的等离激元共振模式,Fano共振具有窄的光谱线宽,强的电磁场增强、高的折射率传感灵敏度等一系列优异电磁特性,具有Fano共振响应的电磁超结构在化学／生物传感器件、表面增强拉曼光谱、光俘获器件等方面具有重要的应用价值,其相关课题已成为纳米光子学近年来的研究热点之一。结构简单易于制备,同时又具有优异电磁性能的Fano共振型电磁超结构是科研工作者追求的目标。本论文基于电磁场波动理论,利用有限元、离散偶极子近似等数值计算方法,设计并研究了几种结构新颖的Fano共振型电磁超结构的光学特性,获得了强的电磁场增强、高的折射率敏感度、完美吸收等,实现了对电磁波的群速度、近场“热点”分布等性能的动态操控,在表面增强拉曼散射、传感器件、等离子体开关等方面具有重要应用前景。主要创新性成果如下：(1)两种Fano共振型电磁超结构及其近场增强和折射率传感性能研究。设计了非对称纳米环和七聚孔阵列两种结构,在光波段实现了Fano共振电磁响应,利用等离激元杂化理论分别揭示了Fano共振的激发机制,研究了Fano共振的近场局域增强、折射率敏感度等性能,在表面增强拉曼基底和化学／生物传感方面具有应用价值。(2)基于PIT共振型电磁超结构的慢光性能研究。等离激元诱导透明(PIT)是Fano共振的一种特殊形式。本工作设计了非对称T字型结构阵列,实现了光频段的PIT共振电磁响应,研究了不同结构参数下PIT共振的透过率和群速度,并利用增益介质解决了透过率与群速度之间的固有矛盾,该结构在慢光器件和光存储方面具有重要的应用价值。(3)偏振可控的PIT共振型电磁超结构。目前大多数结构的PIT共振只能通过结构的几何尺寸来被动调控。本工作提出了一种新颖的环/盘复合结构阵列,实现了光频段的PIT共振,并通过改变激发光的偏振取向实现了PIT共振主动调控,该结构在等离子体开关方面具有重要的应用价值；并利用准静态近似下偶极子-偶极子的相互作用模型理论上揭示了偏振可控的PIT共振的形成机制。(4)基于PIA共振型电磁结构的窄带完美吸收体。等离激元诱导吸收(PIA)起源于暗态与亮态等离激元共振模式之间的相长干涉,可导致吸收效率的提高。本工作设计了一种竖直堆垛的双层PIA共振型电磁超结构,基于PIA共振在光频段实现了超窄带(带宽小于8nm)的完美吸收峰(吸收率高达98%),同时获得了大约130倍的电场局域增强和50倍的磁场局域增强,并利用双耦合谐振子模型揭示了PIA共振导致超窄带完美吸收的物理机制。(5)Fano共振型结构的近场“热点”分布调控及其表面增强相干反斯托克斯拉曼散射(SECARS)应用研究。本工作设计了一种基于三聚体Fano共振型电磁结构的SECARS衬底,提出了两种调控S ECARS过程中各波长(泵浦光、斯托克斯光和反斯托克斯光)近场“热点”分布的途径：通过改变激发光的入射角度,获得了SECARS过程中各波长相同的近场“热点”分布,使得SECARS信号增强因子达到1010倍；通过优化三聚体结构的几何尺寸,实现了双带Fano共振,获得了SECARS过程中各波长的同时共振以及更高的近场增因子,使得SECARS信号增强因子高达1012～1013。
[Abstract]:Electromagnetic metamaterial ( Metamaterials ) is a new type of artificial optical material which has a narrow spectral line width , strong electromagnetic field enhancement and high refractive index sensing sensitivity . ( 3 ) The PIT resonance of most structures can only be passively regulated by the geometric dimension of the structure . The present work provides a novel array of ring / disk composite structures , which realizes the PIT resonance of the optical frequency band , and realizes the active regulation of PIT resonance by changing the polarization orientation of the excitation light , and the structure has important application value in the aspect of plasma switch ;
This paper describes the mechanism of polarization - controllable PIT resonance by using quasi - static approximate dipole - dipole interaction model .
By optimizing the geometric dimension of trimer structure , the double - band Fano resonance is realized , the simultaneous resonance of each wavelength in the SECARS process and the higher near - field enhancement factor are obtained , so that the SECARS signal enhancement factor is up to 1012 - 1013 .

【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;O441

【参考文献】