金屬微納結(jié)構(gòu)局域表面等離激元共振和表面等離極化激元傳播特性研究.pdf

1、表面等離激元(surface plsmon，SP)作為光與金屬納米結(jié)構(gòu)表面自由電子相互作用產(chǎn)生的一種電磁模式，強(qiáng)烈地依賴于金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、材料以及周圍介質(zhì)環(huán)境。根據(jù)SP在不同尺寸金屬納米結(jié)構(gòu)上的光學(xué)性質(zhì)，表面等離激元分為局域表面等離激元(Loclized surface plasmon，LSP)和表面等離極化激元(Surface plsmon polaritonsSPPs)。本論文中，我們主要采用離散偶極子近似(Discret

2、e dipole approximation，DDA)算法研究了銀納米粒子體系的LSP共振特性和采用基于時(shí)域有限差分(Fitine differencetime diomain FDTD)算法研究了金屬-介質(zhì)界面上SPPs的傳播特性。本論文的研究工作主要圍繞LSP共振耦合特性和SPPs傳播特性兩方面展開:
　　1、LSP共振耦合特性研究
　　(1)基于級(jí)聯(lián)放大的思想，我們采用DDA方法設(shè)計(jì)了兩種可能產(chǎn)生級(jí)聯(lián)增強(qiáng)電場(chǎng)的納米結(jié)構(gòu)

3、:三根納米棒鏈狀結(jié)構(gòu)和風(fēng)車形納米結(jié)構(gòu)。對(duì)于三根納米棒鏈狀結(jié)構(gòu)，由于相鄰納米棒之間LSP的共振耦合使得在三根銀納米棒鏈狀結(jié)構(gòu)中的小納米棒周圍聚焦了很強(qiáng)的表面增強(qiáng)電場(chǎng)。對(duì)于風(fēng)車形納米棒結(jié)構(gòu)，在納米棒側(cè)表面出現(xiàn)了比直接用光橫向激發(fā)納米棒更強(qiáng)的表面電場(chǎng)，且其表面增強(qiáng)電場(chǎng)不依賴于入射光的偏振方向。
　　(2)我們采用DDA方法設(shè)計(jì)并研究了兩種對(duì)稱破缺納米結(jié)構(gòu)中LSP的共振耦合特性:三角缺口三角形納米結(jié)構(gòu)和不對(duì)稱圓柱形雙納米棒結(jié)構(gòu)。對(duì)于三角缺

4、口三角形納米結(jié)構(gòu)，消光光譜中出現(xiàn)的不對(duì)稱線形是由于三角缺口三角形納米結(jié)構(gòu)中LSP耦合產(chǎn)生的綁定模式與反綁定模式相互作用產(chǎn)生的法諾共振所導(dǎo)致。對(duì)于不對(duì)稱圓柱形雙納米棒結(jié)構(gòu)，其消光光譜中出現(xiàn)了兩個(gè)混合等離激元模式峰:一個(gè)是高能量的反綁定模式峰，另一個(gè)是低能量的綁定模式峰。兩共振模式間的耦合，導(dǎo)致共振峰發(fā)生重疊而在消光光譜中呈現(xiàn)法諾共振線形。此外，采用LC諧振模型計(jì)算的不對(duì)稱雙納米棒結(jié)構(gòu)的共振峰位置與DDA方法計(jì)算的共振峰位置很好地吻合。

5、r>　　2、SPPs傳播特性研究
　　(1)我們采用FDTD算法研究了具有濾波功能的齒輪形諧振腔與MIM波導(dǎo)相互耦合結(jié)構(gòu)的傳播特性。相比于圓盤形諧振腔MIM波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)，由于齒形結(jié)構(gòu)破壞了圓盤形諧振腔中本征模式的對(duì)稱分布，在齒輪形諧振腔中產(chǎn)生了Fano共振。通過系統(tǒng)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳播特性的影響，發(fā)現(xiàn)Fano共振強(qiáng)烈地依賴于齒形結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。當(dāng)在齒輪形諧振腔和圓盤形諧振腔中填充不同折射率介質(zhì)時(shí)，齒輪形諧振腔MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中Fa

6、no共振模式對(duì)折射率的變化更加敏感。
　　(2)我們采用FDTD算法研究了在通信波長(zhǎng)1.55μm的光激發(fā)下，介質(zhì)狹縫中含有金屬納米粒子的時(shí)金屬-介質(zhì)-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)波導(dǎo)的傳播特性。通過研究MIM波導(dǎo)中金屬粒子的尺寸、位置及形狀對(duì)MIM波導(dǎo)傳播特性的影響，我們發(fā)現(xiàn)由于MIM波導(dǎo)中傳播的SPPs激發(fā)了金屬粒子的LSP共振，MIM波導(dǎo)的衰減被極大地提高。
　　(3)基于諧振腔和光的干涉原

7、理，我們采用FDTD算法設(shè)計(jì)并研究了兩種濾波器結(jié)構(gòu)的濾波特性:圓弧形諧振腔MIM波導(dǎo)濾波器和兩個(gè)一端封堵MIM波導(dǎo)組成的濾波器。對(duì)于前者，研究結(jié)果表明，在透射光譜中出現(xiàn)的透射峰是由SPPs在圓弧形諧振腔中的共振耦合所導(dǎo)致。此外，該結(jié)構(gòu)具有濾波與分路的雙重功能。對(duì)于后者，其研究結(jié)果表明，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了一個(gè)類濾波器行為，其透射光譜中的通帶與阻帶是由水平波導(dǎo)中反射回的SPPs與從豎直波導(dǎo)中耦合到水平波導(dǎo)中的SPPs發(fā)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉所產(chǎn)