金屬微納結構中的光學非線性傳輸效應研究.pdf

1、導體中表面等離子體極化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的發(fā)現(xiàn)，使利用金屬微納結構來控制光波的傳輸成為現(xiàn)實。由于等離子體微納結構的光學特性具有較強的可調諧性，對表面等離子體極化激元的研究已經(jīng)取得了許多有趣的新進展。比如：反常光透射現(xiàn)象、等離子體誘導透明現(xiàn)象(Plasmon-Induced Transparency,PIT)以及Fano共振?；贔ano共振譜的非對稱線型和PIT現(xiàn)象的可調性，其在光開關

2、，生物傳感，慢光，非線性光學等領域都有巨大的潛在應用價值。本論文通過理論分析和數(shù)值模擬方法研究了金屬微納結構中的Fano共振和PIT現(xiàn)象，并且分析了手性超材料的光學響應特性，探討了其潛在的應用價值。
　　第一章概述了SPPs的性質和研究進展。對于表面等離子體極化激元的性質，主要以金屬-絕緣體(Metal-Insulator，MI)界面為例介紹了MI界面上的SPPs和SPPs的激發(fā)方法，分析了SPPs的電磁場分布、特征長度以及色散關

3、系。關于表面等離子體極化激元的研究進展，我們主要介紹基于表面等離子體極化激元的反常透射現(xiàn)象、表面增強拉曼光譜和表面等離子體極化激元激光。
　　第二章我們主要研究了由正三角形和劈裂環(huán)組合而成的等離子體微納結構的光學特性，實現(xiàn)了偏振相關的Fano共振?；诘入x子體微納結構本身的對稱破缺，調節(jié)入射光的偏振方向實現(xiàn)了對Fano共振的主動調控。正三角形的尺寸和方向很好地控制了其和劈裂環(huán)之間的耦合強度以及耦合方式，通過調節(jié)其參數(shù)實現(xiàn)了對Fan

4、o共振位置的調節(jié)。在這個工作中，我們同時考慮了對稱破缺與偏振對Fano共振的影響，有助于開發(fā)新的Fano共振的微觀機制，在Fano光開關和生物傳感等方面具有潛在的應用價值。這個工作已經(jīng)被“Journal of Optics”選作為“Highlight of2014”。
　　第三章我們主要研究了劈裂環(huán)-正三角形微納結構中的等離子體誘導透明現(xiàn)象?；趯ΨQ破缺，通過調節(jié)入射光的偏振方向能夠對平板超材料的等離子體誘導透明窗口實現(xiàn)從有到無的

5、控制，實現(xiàn)了平板超材料的開關功能，并且開關效率達到了95％。正三角形的尺寸很好地控制了其和劈裂環(huán)之間的耦合強度，通過調節(jié)其大小能夠調節(jié)等離子體誘導透明譜的調制深度。劈裂環(huán)-正三角形平板超材料的透射譜對周圍介電環(huán)境折射率的變化展現(xiàn)出高的敏感度，在等離子體傳感方面展現(xiàn)出巨大的潛在應用。
　　第四章我們提出并研究了圓環(huán)-正三角形組合而成的等離子體微納結構，實現(xiàn)了偏振不敏感的等離子體誘導透明現(xiàn)象。圓環(huán)的四極共振模式與正三角形的偶極共振模式

6、之間的相消干涉導致了等離子體誘導透明現(xiàn)象。不同于前面的研究，我們通過對稱度不相同的兩個等離子體微納結構的組合，在不同的結構參數(shù)下均實現(xiàn)了幾乎完美的偏振不敏感的PIT現(xiàn)象，證明了對稱度不相同的等離子體微納結構的組合也能夠實現(xiàn)PIT現(xiàn)象的偏振不敏感特性，為開發(fā)偏振不敏感器件以及實際應用開辟了一條新的思路?？紤]到對偏振不敏感特性的實際需求，這將有助于促進偏振不敏感的等離子體誘導透明的發(fā)展。
　　第五章我們研究了由雙層的半圓弧構成的雙半圓

7、弧手性超材料，在可見光和近紅外波段實現(xiàn)了雙帶的光學響應。通過半圓弧上的電荷密度分布，分析了手性超材料的光學特性。我們討論了半圓弧的結構參數(shù)及旋轉角對提出的手性超材料的光學特性的影響。通過調節(jié)旋轉角實現(xiàn)了雙帶的光學響應并在近紅外波段得到了0.47的圓二向色性。相比于前人的工作，我們提出的手性超材料具有簡單的幾何結構以及在可見光和近紅外波段擁有更多的功能，這在集成光學，等離子體增強傳感和圓二向色性譜分析中展示出潛在的應用價值。
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