基于等离激元纳米激光器的设计与研究

摘要

随着光子器件和纳米技术的发展，器件的体积越来越趋向于小型化，作为光子器件常用光源之一的激光器也随之趋向于小型化。但是传统的激光器由于大的谐振腔和不能突破衍射极限的原因，使其物理体积不能缩小到纳米尺度。然而，表面等离激元远小于自由空间光波长，这赋予了它突破衍射极限的特性，因此表面等离激元受激辐射放大（Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation,Spaser）能够突破衍射极限，为实现激光器的微型化提供了一种新的方法。 本文研究内容主要包括以下两个内容： 1、基于Fano共振的Spaser性能研究。在Spaser器件中金属是产生表面等离激元的必备材料，但是金属中存在着不可消除的欧姆损耗以及辐射损耗，这些损耗的存在会提高Spaser阈值，为Spaser的构造和走向应用化增加了难度。因此如何减少金属结构中的辐射损耗来实现低阈值的Spaser在当前受到了研究者的广泛关注。Fano共振是由等离子体共振的亮模式和暗模式相互耦合形成的，其具有暗模式弱辐射的特点，因此可以实现基于Fano共振的低阈值Spaser。我们提出了一个具有Fano共振效应的四聚体结构，该四聚体由纳米天线和T形对组成，利用有限元软件COMSOL模拟计算了其散射、吸收光谱，光谱中出现了Fano共振峰。随后理论研究研究该结构的Spaser特性，计算结果表明该模型具有较低的阈值0.0386，且输出激光具有极窄的线宽。我们通过改变金属结构的几何尺寸，实现Spaser输出波长的改变，并且即使在几何尺寸改变后阈值依然很低在0.03-0.04之间。 2、基于多共振基底的Spaser性能研究。首先，我们提出了以四个十字型金属结构组成的四聚体为基底的Spaser模型，并使用有限元软件COMSOL对所提出的结构进行仿真模拟，为在一个器件中实现Spaser输出波长的改变提供一种新的方法。我们详细研究了等离子体四聚体结构的光学特性，分析其产生的三种等离子体共振模式的来源，然后利用增益材料对三种等离子体共振模式进行激发实现3个不同的输出波长，这证明了我们的方法可以在一个Spaser器件中实现不同波长的激光输出。此外，还研究了结构几何尺寸对Spaser波长的影响，改变等离子体结构在竖直和水平方向上金属臂的长度后，计算结果证明Spaser输出波长也发生改变，即我们所提的结构也可以通过改变结构的几何尺寸来实现Spaser波长的改变。

目录

声明

1 引言

1.1 前言

1.2 表面等离激元与Fano共振

1.2.1表面等离激元的分类

1.2.2 Fano共振的介绍

1.2.3 产生Fano共振的典型结构

1.2.4 Fano共振的应用

1.3 表面等离激元受激辐射放大（Spaser）

1.3.1 Spaser的介绍

1.3.2 Spaser的分类

1.4 本论文研究内容

2 数值研究方法与软件介绍

2.1 有限元分析法（FEM）

2.2 时域有限差分法（FDTD）

2.3COMSOL Multiphysics软件介绍

3 基于Fano共振的低阈值窄带宽Spaser研究

3.1 前言

3.2 基于Fano共振的Spaser模型

3.3 结果与讨论

3.3.1 T形对和纳米天线对四聚体结构共振模式分析

3.3.2 四聚体结构的Fano共振分析

3.3.3 低阈值窄带宽特性分析

3.3.4 结构参数对Spaser波长的影响

3.4 本章小结

4 基于多共振结构的波长可调谐Spaser研究

4.1 前言

4.2 基于Fano共振的Spaser模型

4.3 结果与讨论

4.3.1纳米结构共振模式分析

4.3.2最佳增益系数k的确定

4.3.3 基于多共振特性纳米结构的Spaser波长可调谐性分析

4.3.4四聚体基Spaser的特征参数的研究

4.3.5 四聚体纳米结构中结构参数对Spaser波长的影响

4.4本章小结

5 本论文总结与展望

5.1 研究成果总结

5.2 未来工作展望

参考文献

个人简历与攻读硕士学位期间研究成果

致谢