活性银纳米管及其二聚物的表面等离激元受激辐射放大特性研究

摘要

金属纳米颗粒与结构由于其表面等离激元所具有的出色的近场增强，强烈的散射和突破衍射极限的能力，在生物化学传感、表面增强拉曼散射、生物医学和光电子器件等领域得到广泛应用。在金属纳米颗粒或结构附件引入增益材料，增益介质将能量传递给表面等离激元模式，进而形成表面等离激元受激辐射放大（SPASER），产生超强的光学出射和超大的近场增强，因而在纳米激光、表面增强光谱技术、人工超材料和新型光子器件等领域具有巨大的潜在应用。本文采用Mie散射理论和有限元方法，研究了椭圆截面银纳米管、银纳米管及其二聚物结构的SPASER特性，讨论了结构参数、入射光偏振条件等因素的变化对上述结构SPASER特性的影响，并对其物理机制进行了详细阐述。主要研究内容及结果如下：
　　（1）基于有限元分析的方法研究了椭圆截面银纳米管的SPASER特性。研究发现，在平行偏振和垂直偏振条件下，当内核增益介质的增益系数分别达到各自的临界值时，在两者的散射光谱中均产生了表面等离激元超共振。在平行偏振条件下，椭圆截面银纳米管实现超共振时的SPASER增益阈值大于垂直偏振情况。我们进一步研究了两种偏振情况下，纳米管壳层厚度对SPASER增益阈值和共振波长的影响。随着壳层厚度变薄，两种偏振条件下的共振波长均出现红移。但是，平行偏振条件下的SPASER增益阈值逐渐减小，而垂直偏振条件下的SPASER增益阈值将逐渐增大。最后，我们发现在45°角偏振条件下，随着增益阈值的增加，在两处临界波长位置分别出现超共振，产生双频SPASER现象。
　　（2）应用Mie散射理论和有限元方法研究了活性银纳米管及其二聚物结构的SPASER特性。研究发现，在活性银纳米管结构中，当活性内核增益系数增大到临界值时，将产生表面等离激元超共振。相似的SPASER现象同样被发现存在于在活性银纳米管二聚物结构中。在活性银纳米管二聚物中，由于银纳米管间的强耦合，导致其达到超共振时的增益系数阈值将大于单一银纳米管情况。在活性银纳米管超共振位置处，其间隔位置热点区域的表面增强拉曼光谱增强因子最高可达8×1018,其足以满足单分子检测的要求。我们进一步研究了纳米管二聚物间距对增益阈值和共振波长的影响，我们发现随着二聚物间间距的逐渐增大，相应超共振的SPASER增益阈值将逐渐降低，而共振波长由于耦合效应减弱和内核介电常数增加形成的竞争机制，导致共振波长先红移后蓝移。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 表面等离激元光子学

1.3 表面等离激元的应用

1.4 论文的研究目的及意义

1.5国内外关于SPASER的研究进展

1.6 本论文的研究工作与结构安排

第2章 理论基础和数值模拟方法

2.1 Mie散射理论

2.2 贵金属和增益介质的介电函数

2.3 有限元方法FEM

第3章 椭圆截面活性银纳米管的SPASER特性研究

3.1 引言

3.2 模型与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 活性银纳米管及其二聚物SPASER特性

4.1 引言

4.2活性银纳米管SPASER特性

4.3银纳米管二聚物的SPASER特性

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结与讨论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文