金属微纳结构中光与等离激元的耦合效应及其调控

《金属微纳结构中光与等离激元的耦合效应及其调控》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、南京大学博士论文南京大学物理学院南京大学固体微结构国家重点实验室的耦合效应及其调控CouplingEffectsofLightandSurfacePlasmonsinMetalMicrostructuresanditsManipulation指导教师：彭茹雯教授博士生：高峰金属微纳结构中光与表面等离激元的耦合及其调控近年来，等离激元学(Plasmonics)展现出许多独特的物理性质和广阔的应用前景，受到人们广泛的关注。所谓表面等离激元(surfaceplasmon)，广义上是指沿导体表面传播的电磁波，它在垂直于导体表面方向上呈指数衰减。最近十年，随着微加工技术的

2、飞速发展和理论研究的逐渐深入，等离激元学中涌现出许多新奇的物理现象，包括异常光透射、突破衍射极限成像、光学磁性、负折射现象、纳米激光等，相关研究在等离激元芯片、光产生、数据存储、显微技术和纳米印刷技术等方面有着重要的应用。但是等离激元学仍然存在一些亟待解决的问题，比如等离激元材料的损耗问题、窄带效应等。本文从理论和实验两方面研究金属微纳结构中光与表面等离激元的耦合效应及其调控，同时探讨它们在新型光电材料和器件中可能的应用，具体内容如下：第一，我们从实验和理论两方面研究亚波长金属小孔阵列中表面等离激元的激发和异常强光透射性质。我们设计和制备出一系列亚波长金属小孔阵

3、列，利用不同偏振的入射光激发该系统以探讨异常强光透射产生的物理机制。研究发现和证实，该系统中存在传播型等离激元和局域型等离激元；局域型等离激元的激发和入射光的波长以及小孔几何等有关的；而传播型等离激元的激发不仅和入射光的波长有关，而且与入射光的偏振以及小孔阵列的排布等都紧密关联；传播型和局域型等离激元共同作用导致光在该系统中出现异常强透射的现象。该工作清晰地给出了亚波长金属小孔阵列中异常强光透射发生的物理原因以及微观物理过程。第二，我们利用干涉层对亚波长金属小孔阵列中光透射进行调控。我们知道由于金属材料的损耗问题，等离激元系统中远场光学效应往往比较微弱。为了增强

4、远场光学效应，我们在亚波长金属小孔阵列系统中首次引入干涉层，理论和实验研究证实，通过实时调节干涉层的厚度，光在该系统中的透射强度可以实现进金属微纳结构中光与表面等离激元的耦合及其调控一步增强、也可以保持不变、也可以被减弱。同时我们发现，在透射强度被增强的系统中，透射峰的品质因子也进一步提高。从而我们利用可控的干涉层，实现了等离激元系统中远场光透射的成倍增强，同时还实现了对该系统中光透射性质的实时调控，该工作为发展新型等离激元材料和器件提供了一种科学思路。第三，我们利用等离激元的能带结构实现了对亚波长金属小孔阵列中光透射的调控。我们设计和制备出具有复合结构的金属与

5、介电亚波长系统。基于有限元差分的理论分析和实验研究表明，该复合微结构中呈现特殊的等离激元能带结构，它不同于一般亚波长金属小孔阵列系统的情形。该等离激元的能带结构导致原先出现在一般系统中的光透射峰发生劈裂、红移或者蓝移、甚至被抑制等几种情形。在此基础上，我们揭示了出现这些性质的微观机制。该工作为研制和发展等离激元晶体开拓思路。此外，我们还实验研究了亚波长金属小孔阵列中荧光增强效应。初步的实验研究表明，在金属小孔阵列系统中罗丹明分子等出现荧光增强，在合适的条件下，实验观测到该荧光增强的倍数至少高达几十倍。相关研究工作为我们深入开展非线性等离激元材料的研究提供实验基础

6、。总之，我们通过以上几个方面的理论和实验研究，揭示了金属微纳结构中表面等离激元与光的一些耦合效应，给出了调控这些耦合效应的几种手段，同时探讨它们在新型光电材料和器件中可能的应用。研究结果丰富和发展了等离激元学和亚波长光子学，为发展新型电磁材料和器件提供科学依据，为实现对电磁波的调控开拓思路。THESIS：CouplingEffectsofLightandSurfacePlasmonsinMetalMicrostructuresanditsManipulationSPECIALIZATION：Micro．andNano．PhotonicsPOSTGRADUATE：

7、FengGaoMENTOR：Prof．RuwenPengSincetheconceptofsurfaceplasmonswasproposed，owningtoitsuniqueopticalpropertyandgreatpotentialforapplication，surfaceplasmonswereextensivelystudiedbymanyscientists．Recently,withthedevelopmentofmicro．andnano．fabricationtechnologiesandtheoreticalstudy,wearewit

8、nessingadram