基于等离激元纳米结构的增强光谱研究

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1、学校代码10459学号或申请号201512131620密级硕士学位论文基于等离激元纳米结构的增强光谱研究作者姓名：张佳导师姓名：王俊俏副教授学科门类：工学专业名称：光学工程培养院系：物理工程学院完成时间：2018年5月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterResearchonEnhancedSpectralofPlasmonNanostructuresByJiaZhangSupervisor:AssociateProf.JunqiaoWangOpti

2、calEngineeringSchoolofPhysicalScienceandEngineeringMay,2018摘要摘要深刻理解并操控光与物质的相互作用，是物理学者梦寐以求的研究目标，并且在国内外科研领域长久以来占据着重要的地位。当电磁波与亚波长特征尺寸的金属纳米结构相互作用时，入射光的光子与金属结构表面自由电子的相互作用产生集体振荡，会在金属表面形成表面等离激元。具有特殊非对称光谱线型的Fano共振源于亮态与暗态等离子激元模式的近场耦合作用，其中亮态是入射光作用于等离子体纳米结构后直接激发的宽频带的超辐射模式，而暗态

3、是不能被入射光激发的窄频带的暗辐射模式。迄今，Fano共振因其特殊的共振谱线、超强局域场、高灵敏度、高品质因子和多种耦合方式等性能，备受研究者的关注，已在生物化学传感、光子器件、等离子开关、纳米激光器等领域具有美好的应用前景。近年来随着纳米制备技术的飞速发展，为Fano共振型金属纳米结构的实现提供了多种方式。本文从等离激元共振入手，分析Fano共振的产生类型和应用领域。由于Fano共振具有超强的局域场性能，我们提出十字架二聚体金属纳米结构，并对其在周期阵列结构和散射体系下分别进行了研究和分析。本论文的主要研究内容包括：1、基

4、于多共振体系纳米结构的SECARS性能研究。我们理论上研究了十字架二聚体周期阵列结构，可应用于多共振等离子体基底，为等离激元共振模式的产生和耦合提出了一种新的方式。详细研究金属周期阵列结构中结构参数对共振模式的影响，证明了三种不同模式的等离激元共振间的耦合能实现巨大的电场增1516强效应，可应用于可见光和近红外光谱范围内的CARS信号增强，高达10~10。实现最大的SECARS信号的主要因素包括三个：（1）十字架二聚体周期阵列结构满足不同频率下多共振等离激元模式的产生；（2）等离激元共振可实现与输入和输出光束的光谱重叠；（3

5、）不同的等离激元共振具有相同的热点位置。2、基于Fano共振体系纳米结构的SECARS性能研究。我们研究了十字架二聚体结构在散射体系下的光学性能，通过偶极子共振与磁偶极子共振的相互作用实现了Fano共振现象，分析共振位置及共振模式对几何结构的依赖性，同时提出LC电路等效模型对共振模式进行验证分析。基于结构参数的调整，在非对称十字架二聚体结构中实现了多共振等离子激元模式，并验证其也可应用于CARS信号增强。关键字：表面等离子激元Fano共振表面增强光谱CARSIAbstractAbstractTheprofoundunders

6、tandingandmanipulationoftheinteractionbetweenlightandmatteristheresearchgoalthatphysicistsdreamabout,andhaslongoccupiedanimportantpositionintheresearchfieldathomeandabroad.Whenanelectromagneticwaveinteractswithametalnanostructurehavingasub-wavelengthfeaturesize,aph

7、enomenonofcollectiveoscillationoccursduetotheinteractionofthephotonsoftheincidentlightwiththefreeelectronsonthesurfaceofthemetalstructure,andasurfaceplasmonisformedonthemetalsurface.TheFanoresonancewithspecialasymmetricspectrallinesoriginatesfromthenear-fieldcoupli

8、ngofbrightanddarkplasmonmodes.Thebrightstateisawide-bandsuper-radiationmodethatcanbedirectlyexcitedaftertheincidentlightactsontheplasmananostruct