金屬-介質(zhì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中模式耦合特性的研究.pdf

1、表面等離激元(Surface Plasmons, SPs)是金屬-介質(zhì)界面自由電子相干振蕩形成的一種電磁表面波。由于 SPs能夠在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的傳輸與操控,且能夠在一些特殊的金屬微納結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的局域光電場(chǎng),因而它在生物傳感器、表面拉曼散射增強(qiáng)及光子回路等眾多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。其中,金屬微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中不同表面等離激元模式之間及與其他光學(xué)共振模式的耦合不僅可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬微納復(fù)合結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的改善與調(diào)制,而且會(huì)產(chǎn)生很多

2、新穎的光學(xué)效應(yīng)。本論文將對(duì)金屬-介質(zhì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中不同等離激元模式之間,主要包括表面等離激元、磁等離激元、Tamm等離激元模式,以及等離激元模式與其他類型表面波模式之間的耦合與調(diào)控進(jìn)行研究。
　　首先研究由一維金屬納米線陣列和具有周期性狹縫的微結(jié)構(gòu)金屬薄膜空間相隔一定距離構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中SP模式的耦合。研究發(fā)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)的等離激元共振譜對(duì)金納米線陣列與微結(jié)構(gòu)金屬薄膜的水平相對(duì)位置非常敏感,通過(guò)改變它們的水平相對(duì)位置可以有效的調(diào)制這

3、種多層結(jié)構(gòu)的光譜特性。這是金納米線中激發(fā)的局域表面等離激元(Localized Surface Plasmon,LSP)模式與微結(jié)構(gòu)金屬薄膜中激發(fā)的水平 LSP模式、反對(duì)稱短程表面等離極化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模式相互作用的結(jié)果。其中, LSP模式與反對(duì)稱短程SPP模式的耦合能夠產(chǎn)生一個(gè)紅移的 SP共振模式,這個(gè)模式具有非常窄的線寬,并且能夠產(chǎn)生較大局域場(chǎng)增強(qiáng)。
　　鑒于Bloch表面波

4、(Bloch Surface Wave, BSW)具有比Plasmon模式更低的損耗、更高的模式強(qiáng)度,研究由一維金屬納米線對(duì)陣列和周期性介質(zhì)多層膜構(gòu)成的復(fù)合體系中BSW與磁等離激元(Magnetic Plasmon, MP)的耦合。研究發(fā)現(xiàn),介質(zhì)多層膜界面 BSW的共振頻率與多層膜周期相關(guān),通過(guò)改變多層膜的周期可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MP與BSW耦合強(qiáng)度的調(diào)制。在一定的周期下,這兩種模式的共振頻率相同,此時(shí)耦合最強(qiáng)。MP與BSW的強(qiáng)耦合能產(chǎn)生雜化的M

5、P模式,且能夠形成125meV的類Rabi分裂。當(dāng)這種雜化MP模式被激發(fā)時(shí),納米線對(duì)中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了顯著增強(qiáng),是直接置于基底上的納米線對(duì)中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度的1.5倍。
　　進(jìn)一步將一維金屬納米線對(duì)陣列嵌入在金屬-介電布拉格反射鏡(DBR)中最靠近金屬膜的低折射率介質(zhì)層中,研究該復(fù)合體系中 MP與金屬-DBR界面Tamm等離激元(Tamm Plasmon, TP)的耦合作用,并分析DBR結(jié)構(gòu)的媒介層厚度對(duì)這種耦合的調(diào)制。由于MP和

6、TP的耦合作用,在色散圖中觀察到這兩種共振模式的反交叉現(xiàn)象,進(jìn)而利用耦合諧振子模型對(duì)這種反交叉現(xiàn)象進(jìn)行了很好的解釋。同時(shí),強(qiáng)耦合產(chǎn)生了具有較窄線寬的雜化MP模式,形成290 meV的類Rabi分裂,該分裂與MP共振能量的比值是將納米線對(duì)嵌入在F-P微腔中所取得的值的兩倍。當(dāng)這種雜化 MP模式被激發(fā)時(shí),納米線對(duì)中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了顯著的增強(qiáng),是嵌入在DBR結(jié)構(gòu)中納米線對(duì)中心磁場(chǎng)強(qiáng)度的2.5倍。
　　本文最后將研究由金屬納米線陣列與金

7、屬-DBR結(jié)構(gòu)相間隔構(gòu)成的多層復(fù)合體系中等離激元模式的耦合作用。在這種復(fù)合體系中能夠激發(fā)金屬納米線上的LSP模式、光柵誘導(dǎo)的金屬薄膜下表面上的SPP模式、金屬- DBR結(jié)構(gòu)界面上的TP模式。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)改變DBR結(jié)構(gòu)媒介層厚度時(shí),由于TP與LSP及SPP耦合的存在,在該復(fù)合體系的色散圖中先后能夠觀察到TP模式與LSP、SPP模式的反交叉現(xiàn)象。除了DBR結(jié)構(gòu)的媒介層厚度外,通過(guò)改變納米線的寬度及周期同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些模式耦合的調(diào)制。同時(shí),