表面等离激元超表面的Fano共振的激发与应用研究

论文摘要

表面等离子体（SP）是外部入射光波和金属表面上的自由电子耦合的电磁波,产生在金属和介质表面并向前传播。由于人工设计的结构具有激烈的电磁耦合效应,所以呈现出非常优越的光学性能,如诱导透明特性、Fano共振、隐身特性、负的折射率和透射增强等。但是对于实现单一的诱导透明和Fano共振等现象严重限制光学领域的发展。在实际应用中,渴望能够实现高品质多频域等离子体诱导透明和共振现象。本文通过调制等离子体模式的耦合与激发,实现多频域高品质因数的诱导透明和Fano共振现象,主要工作内容如下:我们首先在理论和数值上证明了三维超材料实现多光谱等离子体激元诱导透明（PIT）。通过移动垂直中间纳米棒来破坏结构对称性,该结构呈现单光谱或双光谱PIT窗口。同时移动底部纳米棒,该结构在He-Ne,红宝石Cr3+和Kr激光波长处展示多光谱PIT窗口。准静态相互作用模型揭示了纳米棒之间的近场耦合强度随着纳米棒的运动而增加。这项工作提供了一种在易于制造的纳米结构中获得多光谱PIT的方法。为了提高光谱的品质因数,我们在集成的单暗模式混合超材料波导结构中展示了多个Fano共振。采用对称的结构,该结构展示出双尖锐Fano峰。通过打破结构对称性,中间垂直金纳米线上的四极模式被激发,并且通过衍射波和明-暗模式的近场耦合进一步导致多个Fano共振。基于上述特性,我们展示了一个高Q因子折射率传感器,其品质因数值为330和281。有趣地是,通过在金属表面上覆盖硅层,这些Fano峰值的Q因子可以增加到1357和361,以改善传感性能。本文提供了一种获得多个高Q因子Fano共振的方法,这种共振可以拓宽生化传感器中制造装置的通道。最后,我们基于混合超材料波导（HMW）结构设计和数值分析高Q多Fano共振特性,该结构由放置在介电板波导上的T形金切割线组成。相比上述两个工作,这个是在对称性没有打破的混合超材料波导结构实现的高Q的多谱线Fano共振。三能级等离子体系统和平板波导理论解释了明显的Fano行为的物理起源。最大的Q因子达到547,峰值C的调制深度可以达到近100%,这可以很好地实现Fano开关功能。结合狭窄的光谱线和大的近场局域,我们展示了一种光学折射率传感器件,品质因数Q为188和灵敏度为4920 nm/RIU。这项工作提供了一种获得多个高Q因子Fano共振的方法,这可以拓宽生化传感器,光学开关中制造器件的通道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 表面等离激元
•     1.2.1 表面等离激元的色散关系
•     1.2.2 SPPs特征长度
•     1.2.3 激发表面等离激元的方式
•   1.3 超材料
•   1.4 超表面的Fano共振及其研究进展
•   1.5 表面等离子诱导透明
•   1.6 本文的研究内容
• 第2章 数值计算理论与仿真方法
•   2.1 引言
•   2.2 麦克斯韦方程组及FDTD形式
•   2.3 稳定性与边界条件
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于三维超材料的多光谱等离子体诱导透明
•   3.1 引言
•   3.2 结构设计
•   3.3 结果和讨论
•     3.3.1 单光谱等离子体激元诱导透明
•     3.3.2 双光谱等离子体激元诱导透明
•     3.3.3 多光谱等离子体激发诱导透明
•   3.4 本章小节
• 第4章 在单个暗模式超材料波导结构中实现高Q多 Fano共振传感器
•   4.1 引言
•   4.2 结构设计
•   4.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 第5章 高Q多 Fano共振的数值分析
•   5.1 引言
•   5.2 结构设计
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 双谱线Fano共振
•     5.3.2 多谱线Fano共振
•     5.3.3 折射率传感性能
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李婉莹

导师: 王玲玲

关键词: 多光谱,等离子体诱导透明,法诺共振,混合超材料波导

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 湖南大学

分类号: O441.4;TB34

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.002278

总页数: 59

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