同心雙劈裂環和類魚形二聚體金屬納米結構的Fano共振和高階磁模式

【摘要】：表面等離子體光子學是近些年光子學領域新發展起來的一門學科,因為其獨特操控光的能力,倍受人們的關注。其中貴金屬是人們在研究表面等離激元時最常用的材料,并且基于貴金屬表面等離激元所產生的一些光學效應及其機理至今仍是人們的研究熱點,如Kerker效應、Hanle效應、二次諧波、Fano共振、磁效應等。等離激元所產生的這些效應目前在許多領域都已經被利用,如Kerker效應可用振動納米粒子控制光,這對光學電路的操作非常重要;Hanle效應可實現磁矩成像,已經在醫學成像、地質災害預測等方面發揮了重要作用;二次諧波則因為其顯微成像技術已經被很好的應用在了生命科學、工業測量等不同領域中。本文主要對Fano共振和磁效應進行了研究,并且它們帶來的許多光學特性在Fano開關、生物傳感器、表面增強光譜學、負折射率材料等眾多領域都有重要的應用價值。本文根據表面等離子體的發展現狀并結合前人在這方面的研究成果,分別對同心雙劈裂環納米結構和類魚形二聚體納米結構進行了研究,包括它們的光學譜線特征及產生的一些物理效應。本論文在內容上大致可分成兩部分,第一部分研究了由兩個雙劈裂環結構產生的雙Fano共振和電磁感應透明現象;第二部分對類魚形二聚體產生的高階磁效應進行了研究。第一部分主要對同心雙劈裂環結構所產生的光學效應進行了研究。結果表明:分別打破結構沿x軸或者y軸的對稱性時,在消光譜中都有雙Fano共振現象產生。當內劈裂環的腔向上偏置時,等離激元共振峰處的吸收會突然減弱,并且偏置到一定程度時會出現電磁誘導透明光學響應。我們還發現共振模式對周圍折射率都比較敏感度,其中一個共振模式的靈敏度可達到1200 nm/RIU,且計算所得的FOM為36.1,這一系列優良特性使其在表面增強光譜、生物傳感器、Fano開關等方面都有潛在的應用價值。在第二部分中,我們提出了一個類魚形二聚體納米結構,結果表明:入射光垂直照射時,光譜中會出現不對稱的Fano線型,當結構沿著逆時針方向旋轉,譜線中會出現一些新的磁共振模式,且在同一譜線中可實現二階、四階、六階磁模式共存。保持二聚體所組成的圓盤半徑不變,分別改變兩個類魚形結構的大小,在同一光譜的不同波長處可觀察到一階、二階、三階磁模式同時存在。另外,當我們增加二聚體間隙中所包含的圓環數目,發現消光譜中的偶極高階模式能被有規律的激發,且共振模式處的磁場也會被增強,其中最大的磁場增強可達入射光的49倍,這使其可以很好的用于表面增強光譜學及負折射率材料的研究。