金属­介质微纳复合结构中模式耦合特性的研究

摘要

表面等离激元(Surface Plasmons, SPs)是金属-介质界面自由电子相干振荡形成的一种电磁表面波。由于 SPs能够在亚波长范围内实现光的传输与操控,且能够在一些特殊的金属微纳结构中产生显著增强的局域光电场,因而它在生物传感器、表面拉曼散射增强及光子回路等众多领域都有着重要的应用。其中,金属微纳复合结构中不同表面等离激元模式之间及与其他光学共振模式的耦合不仅可以有效的实现对金属微纳复合结构光学性质的改善与调制,而且会产生很多新颖的光学效应。本论文将对金属-介质微纳复合结构中不同等离激元模式之间,主要包括表面等离激元、磁等离激元、Tamm等离激元模式,以及等离激元模式与其他类型表面波模式之间的耦合与调控进行研究。
　　首先研究由一维金属纳米线阵列和具有周期性狭缝的微结构金属薄膜空间相隔一定距离构成的复合结构中SP模式的耦合。研究发现,这种结构的等离激元共振谱对金纳米线阵列与微结构金属薄膜的水平相对位置非常敏感,通过改变它们的水平相对位置可以有效的调制这种多层结构的光谱特性。这是金纳米线中激发的局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)模式与微结构金属薄膜中激发的水平 LSP模式、反对称短程表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模式相互作用的结果。其中, LSP模式与反对称短程SPP模式的耦合能够产生一个红移的 SP共振模式,这个模式具有非常窄的线宽,并且能够产生较大局域场增强。
　　鉴于Bloch表面波(Bloch Surface Wave, BSW)具有比Plasmon模式更低的损耗、更高的模式强度,研究由一维金属纳米线对阵列和周期性介质多层膜构成的复合体系中BSW与磁等离激元(Magnetic Plasmon, MP)的耦合。研究发现,介质多层膜界面 BSW的共振频率与多层膜周期相关,通过改变多层膜的周期可以实现对MP与BSW耦合强度的调制。在一定的周期下,这两种模式的共振频率相同,此时耦合最强。MP与BSW的强耦合能产生杂化的MP模式,且能够形成125meV的类Rabi分裂。当这种杂化MP模式被激发时,纳米线对中心处的磁场强度得到了显著增强,是直接置于基底上的纳米线对中心处磁场强度的1.5倍。
　　进一步将一维金属纳米线对阵列嵌入在金属-介电布拉格反射镜(DBR)中最靠近金属膜的低折射率介质层中,研究该复合体系中 MP与金属-DBR界面Tamm等离激元(Tamm Plasmon, TP)的耦合作用,并分析DBR结构的媒介层厚度对这种耦合的调制。由于MP和TP的耦合作用,在色散图中观察到这两种共振模式的反交叉现象,进而利用耦合谐振子模型对这种反交叉现象进行了很好的解释。同时,强耦合产生了具有较窄线宽的杂化MP模式,形成290 meV的类Rabi分裂,该分裂与MP共振能量的比值是将纳米线对嵌入在F-P微腔中所取得的值的两倍。当这种杂化 MP模式被激发时,纳米线对中心的磁场强度得到了显著的增强,是嵌入在DBR结构中纳米线对中心磁场强度的2.5倍。
　　本文最后将研究由金属纳米线阵列与金属-DBR结构相间隔构成的多层复合体系中等离激元模式的耦合作用。在这种复合体系中能够激发金属纳米线上的LSP模式、光栅诱导的金属薄膜下表面上的SPP模式、金属- DBR结构界面上的TP模式。研究发现,当改变DBR结构媒介层厚度时,由于TP与LSP及SPP耦合的存在,在该复合体系的色散图中先后能够观察到TP模式与LSP、SPP模式的反交叉现象。除了DBR结构的媒介层厚度外,通过改变纳米线的宽度及周期同样可以实现对这些模式耦合的调制。同时,TP与LSP、SPP的耦合产生了杂化的 LSP、SPP模式,通过分析得到,这些杂化模式具有非常特殊的共振及场分布特性,与不包含 DBR结构的复合体系中取得的场增强相比,当杂化LSP或杂化SPP模式被激发时,相对应的,金属纳米线下的介质间隔层中或金属薄膜下表面附近的电磁场得到了很大的增强。

目录

金属- 介质微纳复合结构中 模式耦合特性的研究

RESEARCH ON THE MODE COUPLING IN HYBRID METALLIC-DIELECTRIC MICRO/NANO STRUCTURES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 表面等离激元基本理论

1.3 表面等离激元研究进展

1.4 论文的主要研究内容

第2章 严格耦合波分析及其对金属纳米线阵列共振特性的分析

2.1 引言

2.2 严格耦合波分析

2.3 一维金属纳米线阵列的表面等离激元共振

2.4 本章小结

第3章　金属纳米线阵列-微结构金属薄膜结构的共振特性分析

3.1 引言

3.2 微结构金属薄膜的表面等离激元共振特性

3.3 金属纳米线阵列-微结构金属薄膜结构中SP模式的耦合

3.4 本章小结

第4章 金属纳米线对阵列-介质多层膜结构的模式耦合特性研究

4.1 引言

4.2 周期性介质多层膜界面的BSW

4.3 金属纳米线对阵列-介质多层膜结构中MP与BSW的耦合

4.4 本章小结

第5章 金属-介质多层结构中含Tamm等离激元的多模式耦合

5.1 引言

5.2 金属-介质多层结构中Tamm等离激元与MP的耦合

5.3 金属-介质多层结构中Tamm等离激元与LSP、SPP的耦合

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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