银纳米线及其线基复合结构之SPP传输、调控研究

【摘要】表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPP)能够有效地将光场压缩到超衍射极限以下,是实现纳米尺度光操控及其高集成光子回路的有效途径。表面等离激元光学(plasmonics)及基于SPP的新型功能器件及集成技术已成为当前非常前沿和热门的研究领域之一。金属银纳米线是激发、传输SPP最实用、最基本的单元结构,基于此可构筑各种功能独特的表面等离激元光子器件及其集成回路,比如全光、量子逻辑回路,光学纳腔等；同时,银纳米线SPP局域场增强特性,可极大地增强光与物质相互作用,在调控辐射光场特性,实现纳激光源等方面具有独特的优势。开展相关研究不仅包含了基于小尺度和表面效应的基本物理,又具有广泛应用前景,对发展新一代纳米光子器件及其纳米芯片光电集成技术,加强表面等离激元光学与光电子学、信息学科、材料科学等学科交叉,都具有重要意义。本论文重点开展了银纳米线及其线基复合结构的SPP模式传输特性、共振腔特性以及与量子点耦合调控特性研究。主要研究成果如下：1.基于柱坐标下经典的麦克斯韦方程,研究银纳米线在均匀介质中的传播特性；通过有限元算法(FEM)研究比较了匀介质包覆的银纳米线、均匀介质衬底负载的银纳米线和银纳米线GAP-SPP传输结构的模式特点及其传输特性；基于银纳米线SPP模式特点,研究了多个传输模式耦合叠加形成的旋转场分布特性。2.研究分析了银纳米线上、线表面以及线GAP结构中的超晶格结构,对银纳米线SPP传输的调控；设计了不同的超晶格结构参数,实现了SPP传输模式的反射和滤波功能。3.分析比较了均匀介质包覆的银纳米线、均匀介质衬底负载的银纳米线和银纳米线GAP-SPP传输结构的环腔特性；基于银纳米线GAP-SPP传输结构,设计构筑了一种易于实现的、高Q/Veff的GAP-SPP_FP腔。通过FDTD数值模拟和简化FP模型研究分析了该结构的腔模特性,获得了0.0026(λ/n)3的超小模式体积和1.4×105/μm3的高Q/Veff;提出了利用量子点耦合该GAP-SPP_FP腔调控SPP的方案,并通过转移矩阵方法,研究分析了该耦合体系调控的SPP传输特性。4.自行搭建了一套宽带白光源局域激发、成像选择探测的银纳米线SPP传输光谱测量系统,实现了入射光局域激发与出射光谱选择探测的分离。利用这套测量系统研究了不同长度的银纳米线及其在不同环境中的SPP传输谱特性,并建立了简化FP腔分析模型,理论分析和实验结果吻合得非常好。本论文的创新点和特色：1.系统地研究了银纳米线及其线基复合结构的SPP模式特性、腔特性。基于其SPP模式特性分析,设计构筑了一种易于实现的、高Q/Veff的GAP-SPP_FP腔,并建立简化FP腔分析模型,分析了该结构的腔模特性。数值模拟结合理论分析,获得了0.0026(λ/n)3的超小模式体积和1.4×105/μm3的高Q/Veff。提出了利用量子点耦合该GAP-SPP_FP腔调控SPP的方案,并通过转移矩阵方法,研究分析了该耦合体系调控的SPP传输特性。2.自行搭建了一套宽带白光源局域激发、成像选择探测的银纳米线SPP传输光谱测量系统,实现了入射光局域激发与出射光谱选择探测的分离,有效实现了不同长度银纳米线及其在不同环境中SPP传输谱的测量,观察到了明显的FP振荡曲线,且利用建立的简化FP腔分析模型很好地解析了实验结果。
【作者】蒋厚强；
【导师】王沛；明海；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，博士
【关键词】银纳米线；表面等离激元；光学微腔；光谱探测；纳光子器件；微纳集成光子回路；

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