Fano共振型電磁超結構的設計和性能研究.pdf

1、對光與物質相互作用的理解以及實現(xiàn)對光及電磁波的操控，一直是人們所追求的目標，也是科技領域至關重要的研究課題。近年來，隨著納米技術的不斷發(fā)展和進步，人們可以制備出具有任意形狀且規(guī)則排列的納米結構。電磁超材料(Metamaterials)是通過周期性排列亞波長結構單元而構成的一種新型人工光學材料，其電磁性能主要依賴亞波長結構單元的幾何形貌、排列方式等。通過人為設計結構單元，電磁超材料可以實現(xiàn)自然界常規(guī)媒質所不具備的奇異電磁特性，為人類操控光

2、及電磁波提供了新的途徑。
　　亞波長結構單元的材料通常選用金屬。金屬結構單元與電磁波相互作用時，入射光子會驅動金屬表面可遷移的自由電子發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生一種特殊的共振模式-表面等離激元。Fano共振起源于金屬結構單元中超輻射態(tài)（亮態(tài)）和亞輻射態(tài)（暗態(tài)）等離激元共振模式的干涉。相比常規(guī)的等離激元共振模式，F(xiàn)ano共振具有窄的光譜線寬，強的電磁場增強、高的折射率傳感靈敏度等一系列優(yōu)異電磁特性，具有Fano共振響應的電磁超結構在化學/生

3、物傳感器件、表面增強拉曼光譜、光俘獲器件等方面具有重要的應用價值，其相關課題已成為納米光子學近年來的研究熱點之一。結構簡單易于制備，同時又具有優(yōu)異電磁性能的Fano共振型電磁超結構是科研工作者追求的目標。本論文基于電磁場波動理論，利用有限元、離散偶極子近似等數(shù)值計算方法，設計并研究了幾種結構新穎的Fano共振型電磁超結構的光學特性，獲得了強的電磁場增強、高的折射率敏感度、完美吸收等，實現(xiàn)了對電磁波的群速度、近場“熱點”分布等性能的動態(tài)操

4、控，在表面增強拉曼散射、傳感器件、等離子體開關等方面具有重要應用前景。主要創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)兩種Fano共振型電磁超結構及其近場增強和折射率傳感性能研究。設計了非對稱納米環(huán)和七聚孔陣列兩種結構，在光波段實現(xiàn)了Fano共振電磁響應，利用等離激元雜化理論分別揭示了Fano共振的激發(fā)機制，研究了Fano共振的近場局域增強、折射率敏感度等性能，在表面增強拉曼基底和化學/生物傳感方面具有應用價值。
　　(2)基于PIT共振型

5、電磁超結構的慢光性能研究。等離激元誘導透明(PIT)是Fano共振的一種特殊形式。本工作設計了非對稱T字型結構陣列，實現(xiàn)了光頻段的PIT共振電磁響應，研究了不同結構參數(shù)下PIT共振的透過率和群速度，并利用增益介質解決了透過率與群速度之間的固有矛盾，該結構在慢光器件和光存儲方面具有重要的應用價值。
　　(3)偏振可控的PIT共振型電磁超結構。目前大多數(shù)結構的PIT共振只能通過結構的幾何尺寸來被動調控。本工作提出了一種新穎的環(huán)/盤復合

6、結構陣列，實現(xiàn)了光頻段的PIT共振，并通過改變激發(fā)光的偏振取向實現(xiàn)了PIT共振主動調控，該結構在等離子體開關方面具有重要的應用價值;并利用準靜態(tài)近似下偶極子-偶極子的相互作用模型理論上揭示了偏振可控的PIT共振的形成機制。
　　(4)基于PIA共振型電磁結構的窄帶完美吸收體。等離激元誘導吸收（PIA）起源于暗態(tài)與亮態(tài)等離激元共振模式之間的相長干涉，可導致吸收效率的提高。本工作設計了一種豎直堆垛的雙層PIA共振型電磁超結構，基于PI

7、A共振在光頻段實現(xiàn)了超窄帶（帶寬小于8nm）的完美吸收峰（吸收率高達98％），同時獲得了大約130倍的電場局域增強和50倍的磁場局域增強，并利用雙耦合諧振子模型揭示了PIA共振導致超窄帶完美吸收的物理機制。
　　(5) Fano共振型結構的近場“熱點”分布調控及其表面增強相干反斯托克斯拉曼散射(SECARS)應用研究。本工作設計了一種基于三聚體Fano共振型電磁結構的SECARS襯底，提出了兩種調控SECARS過程中各波長（泵浦光