金屬介質(zhì)微納復合結(jié)構(gòu)中模式耦合特性的研究

1、 國內(nèi)圖書分類號：O438 學校代碼：10213 國際圖書分類號：535 密級：公開 理學博士學位論文 理學博士學位論文 金屬­介質(zhì)微納復合結(jié)構(gòu)中 模式耦合特性的研究 博 士 研 究 生 ： 劉 海 導 師 ： 孫秀冬 教授 申 請 學 位 ： 理學博士 學 科 ： 光學 所

2、在 單 位 ： 物理系 答 辯 日 期 ： 2012 年 6 月 授予學位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學 摘 要 ­ I ­摘 要 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 能夠在亞波長范圍內(nèi)實現(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)生顯著增強的局域光電場，因而它在生物傳感器、表面拉曼散射增

3、強及光子回路等眾多領(lǐng)域都有著重要的應用。其中，金屬微納復合結(jié)構(gòu)中不同表面等離激元模式之間及與其他光學共振模式的耦合不僅可以有效的實現(xiàn)對金屬微納復合結(jié)構(gòu)光學性質(zhì)的改善與調(diào)制，而且會產(chǎn)生很多新穎的光學效應。 本論文將對金屬­介質(zhì)微納復合結(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

4、結(jié)構(gòu)金屬薄膜空間相隔一定距離構(gòu)成的復合結(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金納米線陣列與微結(jié)構(gòu)金屬薄膜的水平相對位置非常敏感，通過改變它們的水平相對位置可以有效的調(diào)制這種多層結(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、反對稱短程表面等離極化激元（Surface Plasmon Polarit

5、on，SPP）模式相互作用的結(jié)果。其中， LSP 模式與反對稱短程SPP 模式的耦合能夠產(chǎn)生一個紅移的 SP 共振模式，這個模式具有非常窄的線寬，并且能夠產(chǎn)生較大局域場增強。 鑒于 Bloch 表面波（Bloch Surface Wave, BSW）具有比 Plasmon 模式更低的損耗、更高的模式強度，研究由一維金屬納米線對陣列和周期性介質(zhì)多層膜構(gòu)成的復合體系中 BSW 與磁等離激元（Magnetic Plasmon, MP）的耦合。

6、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)，通過改變多層膜的周期可以實現(xiàn)對 MP 與 BSW 耦合強度的調(diào)制。 在一定的周期下， 這兩種模式的共振頻率相同， 此時耦合最強。 MP 與 BSW 的強耦合能產(chǎn)生雜化的 MP 模式，且能夠形成 125meV 的類 Rabi 分裂。當這種雜化 MP 模式被激發(fā)時，納米線對中心處的磁場強度得到了顯著增強，是直接置于基底上的納米線對中心處磁場強度的 1.5 倍。 進一步將一維金屬納