高Q值光波磁共振结构设计及其二阶非线性研究

摘要

特异材料是由人工结构复合而成的材料，它往往具有自然界中不存在的新奇物理性质。特异材料可用于人为控制电磁波，实现诸如“完美透镜”、“隐身斗篷”等功能。近年来，特异材料出现了愈来愈多的研究分支，如负折射率特异材料、手性特异材料和人工光波磁响应特异材料（即人工设计的，入射电磁波在其中可以诱导环路电流并实现光波磁响应特性的金属微纳结构）等。在一定条件下，利用光波磁响应结构可以实现较高的Q值，在生物分子、气体的探测等领域有较好的前景。而非线性特异材料，由于非线性光学理论的丰富性，发展相对缓慢。源于非线性特异材料的基础研究和实现纳米全光系统的需求，对非线性特异材料的研究力度应加大。本文主要研究了U型分裂环-金属棒复合结构和三层圆盘金属非线性特异材料中独特的性质，如表面等离激元的共振模式，光学二次谐波等。本文主要章节安排如下:
　　第一章简单介绍特异材料的概念及其历史进程，对非线性特异材料做重点介绍，主要从非线性特异材料的研究进展、实现方法以及应用等方面展开。
　　第二章介绍表面等离激元的共振模式，计算了两种结构特异材料中的电磁共振响应。首先基于分裂环结构，设计了U型-金属棒复合结构，形成了在1500nm的磁共振和750nm的电共振这一双波长共振特异材料，并进行了实验制备和测量验证。其次设计三层圆盘金属特异材料，在该结构中实现了光波段765nm处的磁环偶极共振模式，并通过理论证实了该磁环偶极共振模式的存在。
　　第三章介绍了三层圆盘特异材料的制备及测量。详细地介绍了样品制作流程以及该特异材料光谱测量的过程，并给出了所制作的三层圆盘结构的SEM图像、测量的反射谱线以及二次谐波信号。
　　第四章基于三层圆盘金属特异材料模型，将圆盘中间层改换为非线性材料DAST后，模拟计算了其光波段磁环偶极共振模式及其对二次谐波信号的增强效果。数据表明，在激发三层圆盘金属特异结构的磁环偶极共振模式下，可以有效增强中间非线性介质圆盘的二次谐波信号。同时，通过透射谱计算，磁环偶极共振模式的品质因数（Q值）达到了45，高于磁共振模式的Q值37和高阶磁共振模式的Q值12。随后，又对该特异材料结构对二次谐波信号的影响进行了研究。
　　第五章对本论文进行了总结与展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 特异材料的概念

1．2 特异材料发展的历史进程

1．3 特异材料中的光学非线性

1．3．1 非线性特异材料概述

1．3．2 非线性特异材料的实现方法

1．3．3 非线性特异材料的应用

参考文献

第二章 特异材料中的电磁响应

2．1 表面等离激元简介

2．2 表面等离激元共振模式

2．3 双频共振特异材料

2．3．1 模型设计

2．3．2 计算模拟与结果分析

2．3．3 实验测量

2．4 磁环偶极共振特异材料

2．4．1 模型设计

2．4．2 计算模拟与结果分析

2．5 本章小结

参考文献

第三章 磁环偶极共振特异材料的制备及测量

3．1 实验仪器及设备

3．2 实验材料及试剂

3．3 设备原理及表征参数

3．3．1 全自动磁控溅射镀膜机

3．3．2 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)

3．3．3 电子束曝光图形发生器(Electron Beam Exposure Machine，EBEM)

3．3．4 高真空电阻蒸发镀膜机

3．4 实验样品的制备

3．5 实验测量与结果分析

3．6 本章小结

参考文献

第四章 基于磁环偶极共振的二次谐波增强

4．1 非线性光学简介

4．2 特异材料中二次谐波的研究进展

4．3 双盘模型

4．3．1 模型设计

4．3．2 计算模拟

4．3．3 g=50nm时结果分析

4．3．4 g=20nm时结果分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

硕士期间发表的文章

致谢