金屬微納結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線性傳輸效應(yīng)研究.pdf

1、導(dǎo)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(jié)構(gòu)來控制光波的傳輸成為現(xiàn)實(shí)。由于等離子體微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性具有較強(qiáng)的可調(diào)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(jìn)展。比如：反常光透射現(xiàn)象、等離子體誘導(dǎo)透明現(xiàn)象(Plasmon-Induced Transparency,PIT)以及Fano共振。基于Fano共振譜的非對稱線型和PIT現(xiàn)象的可調(diào)性，其在光開關(guān)

2、，生物傳感，慢光，非線性光學(xué)等領(lǐng)域都有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)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(jié)構(gòu)中的Fano共振和PIT現(xiàn)象，并且分析了手性超材料的光學(xué)響應(yīng)特性，探討了其潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　第一章概述了SPPs的性質(zhì)和研究進(jìn)展。對于表面等離子體極化激元的性質(zhì)，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(guān)

3、系。關(guān)于表面等離子體極化激元的研究進(jìn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了偏振相關(guān)的Fano共振?；诘入x子體微納結(jié)構(gòu)本身的對稱破缺，調(diào)節(jié)入射光的偏振方向?qū)崿F(xiàn)了對Fano共振的主動調(diào)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(qiáng)度以及耦合方式，通過調(diào)節(jié)其參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對Fan

4、o共振位置的調(diào)節(jié)。在這個(gè)工作中，我們同時(shí)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(jī)制，在Fano光開關(guān)和生物傳感等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。這個(gè)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(jié)構(gòu)中的等離子體誘導(dǎo)透明現(xiàn)象?；趯ΨQ破缺，通過調(diào)節(jié)入射光的偏振方向能夠?qū)ζ桨宄牧系牡入x子體誘導(dǎo)透明窗口實(shí)現(xiàn)從有到無的

5、控制，實(shí)現(xiàn)了平板超材料的開關(guān)功能，并且開關(guān)效率達(dá)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(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)其大小能夠調(diào)節(jié)等離子體誘導(dǎo)透明譜的調(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了偏振不敏感的等離子體誘導(dǎo)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(dǎo)致了等離子體誘導(dǎo)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(gè)等離子體微納結(jié)構(gòu)的組合，在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下均實(shí)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(jié)構(gòu)的組合也能夠?qū)崿F(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(shí)際應(yīng)用開辟了一條新的思路?？紤]到對偏振不敏感特性的實(shí)際需求，這將有助于促進(jìn)偏振不敏感的等離子體誘導(dǎo)透明的發(fā)展。
　　第五章我們研究了由雙層的半圓弧構(gòu)成的雙半圓

7、弧手性超材料，在可見光和近紅外波段實(shí)現(xiàn)了雙帶的光學(xué)響應(yīng)。通過半圓弧上的電荷密度分布，分析了手性超材料的光學(xué)特性。我們討論了半圓弧的結(jié)構(gòu)參數(shù)及旋轉(zhuǎn)角對提出的手性超材料的光學(xué)特性的影響。通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)了雙帶的光學(xué)響應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)，等離子體增強(qiáng)傳感和圓二向色性譜分析中展示出潛在的應(yīng)用價(jià)值。
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