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激光与光电子学进展 2019年第20期56卷 220-225页

作者：张春琳刘杰侯浩杰李孟春山西省高速公路信息监控中心山西太原030024 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学物理与光电工程学院山西太原030024

基于贵金属纳米颗粒阵列的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系的辐射损耗,提高共振品质因子,增大局域场强。提出一种采用贵金属劈裂纳米环阵列产生多重表面晶格共振的方法。由于劈裂纳米环磁偶极共振的等效偶极矩垂直于纸面,... 详细信息

基于贵金属纳米颗粒阵列的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系的辐射损耗,提高共振品质因子,增大局域场强。提出一种采用贵金属劈裂纳米环阵列产生多重表面晶格共振的方法。由于劈裂纳米环磁偶极共振的等效偶极矩垂直于纸面,能够同时向平面的x和y方向散射电磁波,这使得磁偶极共振与两个正交方向上的瑞利异常产生耦合成为可能。计算结果表明,在劈裂纳米环构成的阵列结构中,磁偶极共振能够与两个周期方向上瑞利异常形成耦合,从而产生表面晶格共振。当阵列周期不同时,能够同时激起两个表面晶格共振;利用劈裂纳米环的电四极共振也可得到类似的光学响应。这些特性使得贵金属劈裂纳米环阵列在微纳光子器件的设计方面将具有重要的应用价值。

关键词：表面光学表面等离激元共振时域有限差分(FDTD)法表面晶格共振劈裂纳米环

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基于非对称纳米棒二聚体阵列的多重表面晶格共振

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半导体光电 2019年第3期40卷 364-369,374页

作者：朱明琦侯浩杰肖博文岳鹏李孟春太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原理工大学物理与光电工程学院太原030024

贵金属纳米颗粒阵列结构中的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系辐射损耗,增大共振品质因子和局域场强,这对多波长相关微纳光子器件的设计具有重要意义,如何实现对多重表面晶格共振的有效操控是实现这些应用的关键。提出采用... 详细信息

贵金属纳米颗粒阵列结构中的多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系辐射损耗,增大共振品质因子和局域场强,这对多波长相关微纳光子器件的设计具有重要意义,如何实现对多重表面晶格共振的有效操控是实现这些应用的关键。提出采用非对称纳米棒二聚体阵列结构产生和调控多重表面晶格共振。由于纳米棒结构的各向异性,其构成的二聚体结构具有丰富的局域共振响应,并且依赖于二聚体的排列方式,可以进一步调整局域共振,故由非对称纳米棒二聚体阵列可以产生并实现对多重表面晶格共振的有效操控。研究结果表明,由端对端和边对边排列的非对称纳米棒二聚体阵列结构能够激发起不同的表面晶格共振,其共振峰位、品质因子等可以通过改变两个正交方向上的周期实现有效调控,这对基于多重表面晶格共振的微纳光子器件的设计具有重要的应用价值。

关键词：微纳光子学表面等离激元共振时域有限差分法表面晶格共振非对称纳米颗粒

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基于非对称纳米颗粒阵列的垂直与平行表面晶格共振

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激光与光电子学进展 2019年第15期56卷 197-203页

作者：侯浩杰刘钧妍肖博文朱明琦李孟春新型传感器与智能控制教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学物理与光电工程学院山西太原030024

在贵金属纳米颗粒阵列中所形成的表面晶格共振能够有效抑制体系辐射损耗、提高共振品质因子、增大局域场强,已被广泛用于设计高性能微纳光子器件。实现垂直与平行表面晶格共振的同时激发对阵列结构光学响应的调制及应用具有重要意义。... 详细信息

在贵金属纳米颗粒阵列中所形成的表面晶格共振能够有效抑制体系辐射损耗、提高共振品质因子、增大局域场强,已被广泛用于设计高性能微纳光子器件。实现垂直与平行表面晶格共振的同时激发对阵列结构光学响应的调制及应用具有重要意义。本文设计了由L-形纳米天线构成的阵列结构,计算了成键模式和反成键模式与瑞利异常耦合的光学响应,获得了在消光谱上能够同时形成上述两种表面晶格共振的结论。结果表明,其成键与反成键局域共振模式都可以实现与瑞利异常的耦合,从而激发垂直与平行表面晶格共振。这些特性使得这种非对称纳米颗粒阵列在微纳光子器件的设计方面具有重要的应用价值。

关键词：光电子学表面等离子体光子学表面等离激元共振时域有限差分法表面晶格共振非对称纳米颗粒

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基于纳米颗粒阵列杂化体系的多重表面晶格共振特性研究

基于纳米颗粒阵列杂化体系的多重表面晶格共振特性研究

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作者：白雅婷太原理工大学

学位级别：博士

随着微纳光子器件向微型化、集成化和高性能方向的快速发展,等离激元微纳结构（如金属纳米颗粒）由于其对入射场能量的有效聚焦和对外界环境变化灵敏度高等优异的光学特性引起了研究者们的极大兴趣。然而,金属纳米颗粒的局域表面等离激... 详细信息

随着微纳光子器件向微型化、集成化和高性能方向的快速发展,等离激元微纳结构（如金属纳米颗粒）由于其对入射场能量的有效聚焦和对外界环境变化灵敏度高等优异的光学特性引起了研究者们的极大兴趣。然而,金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振（Localized Surface Plasmon Resonances,LSPRs）存在较强的辐射损耗,使得共振品质因子降低且局域场强减弱,阻碍了高性能光子器件的发展。在纳米颗粒构成的周期性阵列中,其集体响应受单个纳米颗粒的LSPRs与瑞利异常耦合作用的影响,所产生的表面晶格共振（Surface Lattice Resonances,SLRs）具有极窄的线宽,有效地抑制了辐射损耗并提高了共振的品质因子,同时阵列中纳米颗粒之间的耦合作用也使得共振处局域场强相对于局域共振获得进一步增强。因此,基于纳米颗粒阵列的SLRs可在纳米尺度有效增强光与物质之间的相互作用,是设计高性能微纳光子器件的重要体系。然而由单个纳米颗粒构成的阵列往往仅支持单一的SLR,这使得其对辐射损耗的抑制作用被限制在很窄的波段,不利于光学频率梳、高灵敏生化传感、多模激光等多波长相关光子器件的发展。为此,在纳米颗粒阵列体系中实现多重SLRs的有效激发,可在多个波段同时抑制辐射损耗,从而增大共振品质因子和局域场强,可为多波长复用的线性及非线性微纳光子器件的研究提供一个重要平台。其中在纳米颗粒阵列中实现对多重SLRs的有效激发和峰位可控调制是实现上述应用的关键问题,本文通过金属薄膜的引入、多元纳米颗粒阵列的设计等方式构建纳米颗粒阵列杂化体系,基于表面等离极化激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）、法布里-珀罗（Fabry-Pe rot,FP）模式、纳米颗粒电偶极/磁偶极模式之间的耦合,以及相变材料对光学特性的调整作用,实现了多重SLRs的有效激发和峰位调制。具体的研究内容如下:（1）基于耦合偶极近似（Coupled Dipole Approximation,CDA）理论构建了一套可用于纳米颗粒阵列杂化体系的解析计算模型,为多重SLRs的产生机制、光学特性调制等提供了理论指导。研究中重点讨论了三种阵列体系:单一纳米颗粒阵列、二元纳米颗粒阵列以及具有不同周期交叠纳米颗粒阵列体系。由于阵列体系中任意纳米颗粒所受的场既有来自入射场的作用,还有来自周围纳米颗粒的散射场。因此,主要的思路是建立纳米颗粒的偶极矩（或四极张量）与入射场之间的关系,通过求解纳米颗粒的电/磁偶极（或电四极）有效极化率,从而计算出阵列体系中单个纳米颗粒的散射和消光谱以及阵列的透射和反射谱。最后通过重复之前的研究结果验证了理论模型的正确性。（2）构建了纳米颗粒阵列/金属薄膜杂化体系,通过SLR和FP模式间的耦合作用,实现了成对的与相位奇点相关的窄带完美吸收。此外,通过SLR和SPP模式间的强耦合作用,实现了多重杂化共振模式的激发,相对LSPRs可显著提高共振品质因子和局域场强。研究结果表明,在长间距周期阵列的耦合体系中,随着腔长增大在反射谱中观察到SLR、SPP模式和FP腔模之间有趣的相长和相消干涉效应,并采用CDA理论和经典的双层反射模型对耦合体系的光学响应进行了解析计算研究。由于SLR的激发增强了单个纳米盘的极化率,在反射谱中观察到与相位奇点相关的窄带完美吸收对,且吸收峰的品质因子约为89,并采用双层反射模型验证了观察结果。此外,通过操控周期P和P可以独立地调节SPP模式和SLR。当SPP模式和SLR光谱重叠时,在反射谱中观察到一个反交叉现象,并采用耦合振子模型验证了SPP模式与SLR间的强耦合。与此同时,产生的多重杂化共振模式的品质因子（～167）和局域场强（|E|/|E|≈44）被极大地增强。（3）构建了二元纳米颗粒阵列体系,通过电偶极、磁偶极模式的同时引入和相互耦合作用,实现了电、磁杂化SLRs的选择性激发和窄带完美吸收,可以解决纳米颗粒阵列/金属薄膜杂化体系仅适合反射工作模式的限制。研究结果表明,通过调节单元内两个Ag/Ge核/壳纳米球的耦合强度和耦合相位,可实现单一纳米颗粒阵列的电、磁SLRs和二元纳米颗粒阵列中电、磁杂化SLRs的选择性激发。采用CDA理论验证了上述结果,并与数值计算（FDTD）结果基本一致。通过调整阵列周期,当磁杂化SLRs与局域电偶极模式的光谱重叠时,阵列体系中广义的Kerker条件和临界耦合条件被同时满足,从而实现了窄带完美吸收。在这种情况下,位于较高能量和较低能量处的完美吸收峰的品质因子分别约为50和77。此外,考虑到纳米盘结构更符合当前的纳米制造技术,研究了二元Ag/Ge核/壳纳米盘阵列中窄带完美吸收的实现,吸收峰的品质因子进一步增大到约107。研究发现单元内纳米颗粒间的相对位移对窄带完美吸收的实现几乎没有影响。在

关键词：纳米颗粒阵列局域等离激元共振表面晶格共振耦合偶极近似理论窄带完美吸收

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全电介质超表面中高品质因数表面晶格共振及其应用

全电介质超表面中高品质因数表面晶格共振及其应用

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作者：王永航武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

随着科技的进步,光器件对小型化和集成化的要求越来越高。与传统的光学元件相比,二维的超表面具有独特的电磁响应特性,平面结构意味着制造工艺简单,还可以通过使用不同尺寸、不同形状的结构单元,使用不同的排列方式等,实现对光的强度、... 详细信息

随着科技的进步,光器件对小型化和集成化的要求越来越高。与传统的光学元件相比,二维的超表面具有独特的电磁响应特性,平面结构意味着制造工艺简单,还可以通过使用不同尺寸、不同形状的结构单元,使用不同的排列方式等,实现对光的强度、相位、波长和偏振等特性的调控。在纳米光学领域,超表面已经受到了人们的广泛关注。通过将纳米颗粒按一定的周期组成阵列,单个粒子的局域共振与周围粒子之间的电磁耦合会产生一种新的集体响应,这就是有着更高品质因数的表面晶格共振。与金属材料相比,介质材料在近红外甚至可见光波段具有非常低的欧姆损耗,可用于设计具有更高品质因数的光学超表面。本文基于时域有限差分法和严格耦合波分析,对全电介质超表面中的表面晶格共振进行了研究,有望在激光增强和生化传感等领域得到应用。本文主要对以下内容进行了研究:(1)提出了具有双共振峰的硅基表面晶格共振超表面结构,给出并验证了一种在不改变偏振的条件下,仅通过改变周期来调控两个共振峰位的设计思路。(2)使用时域有限差分法和严格耦合波分析仿真设计了具有给定波长的表面晶格共振超表面结构,在可见光波段的品质因数可以高达2600,分析了结构参数对其透射光谱的影响,介绍了此种超表面的微纳加工方法并制备出超表面实物。(3)搭建了用于测试超表面样品透反射光谱的光学实验测试平台,使用此测试平台对超表面实物进行了实验测试。(4)提出了一种金反射镜上的氧化锌介质超表面结构,具有16000的超高品质因数和高达15930/RIU传感性能参数,仿真结果表明,可以在气体和液体的折射率传感中得到应用。

关键词：全电介质超表面表面晶格共振瑞利异常高品质因数折射率传感

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一维贵金属纳米颗粒阵列表面晶格共振特性研究

一维贵金属纳米颗粒阵列表面晶格共振特性研究

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作者：肖博文太原理工大学

学位级别：硕士

贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振能够突破光学衍射极限,同时可将入射场能量更好的局限在结构周围,在微纳光子器件的设计方面具有重要的应用前景,因而受到人们的广泛关注。但是随着纳米颗粒尺寸的不断增加,系统辐射损耗会急剧的增... 详细信息

贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振能够突破光学衍射极限,同时可将入射场能量更好的局限在结构周围,在微纳光子器件的设计方面具有重要的应用前景,因而受到人们的广泛关注。但是随着纳米颗粒尺寸的不断增加,系统辐射损耗会急剧的增大,这使得局域表面等离激元共振峰展宽变大,从而弱化局域场增强,限制了相关微纳光子器件的性能。在由贵金属纳米颗粒构成的阵列结构中,金属纳米颗粒局域表面等离激元共振与阵列的瑞利异常耦合能够产生表面晶格共振(Surface Lattice Resonances,SLRs),利用SLRs能够有效抑制体系辐射损耗,增大局域场强,提高共振品质因子。但是目前纳米颗粒阵列大多数是采用“自上而下”的物理刻蚀方法制备,存在工艺成本高、结构可扩展性较差的问题。为了解决上述问题,本文提出了一种基于一维贵金属纳米颗粒阵列激发表面晶格共振的方法,相关结构可以采用“自下而上”的模板自组装技术方便的制备。论文着重从理论仿真方面研究了纳米颗粒链状阵列结构的表面晶格共振特性,并在实验上初步验证了制备这种一维贵金属纳米颗粒阵列的可行性。主要工作包括:1.纳米颗粒链状结构局域表面等离激元共振特性。论文利用时域有限差分法模拟研究了纳米颗粒二聚体和纳米颗粒单、双链结构的光学性质。重点表征了其消光光谱随球间距离、入射光偏振方向以及周围环境折射率变化的规律。此外,还研究了纳米颗粒链长及颗粒随机偏移对局域共振峰位的影响。这一部分研究内容对阵列结构中表面晶格共振的产生和调节具有重要的意义。2.一维贵金属纳米颗粒阵列表面晶格共振特性。论文利用时域有限差分法计算了纳米颗粒单链和双链阵列结构中的表面晶格共振特性,研究了纳米颗粒间距、入射光偏振方向、周围环境折射率对表面晶格共振的影响,同时总结了表面晶格共振的峰位、共振强度和品质因子的变化规律,这对基于一维贵金属纳米颗粒阵列表面晶格共振的实际应用具有重要的指导意义。我们还研究了阵列中纳米颗粒的随机偏移对表面晶格共振强度的影响。在实验方面,我们基于多巴胺包覆的纳米金球溶液和具有光栅结构的PDMS模板,利用旋涂的方法制备了纳米颗粒周期阵列结构,验证了制备这种一维贵金属纳米颗粒阵列结构的可行性。

关键词：贵金属纳米颗粒局域表面等离激元共振周期阵列表面晶格共振自组装技术

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基于表面晶格共振杂化的连续域束缚态全介质超构表面研究

基于表面晶格共振杂化的连续域束缚态全介质超构表面研究

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作者：杜响安徽师范大学

学位级别：硕士

超构表面光子器件具有体积小、损耗低、易集成、强大的光场操控等优点,成为了微纳光子学的一大研究热点。在基于超构表面的荧光增强、纳米激光、光传感、以及非线性光学等应用中,获得高品质因子（Q值）是改善器件性能的关键。表面晶格... 详细信息

超构表面光子器件具有体积小、损耗低、易集成、强大的光场操控等优点,成为了微纳光子学的一大研究热点。在基于超构表面的荧光增强、纳米激光、光传感、以及非线性光学等应用中,获得高品质因子（Q值）是改善器件性能的关键。表面晶格共振（SLR）和连续域束缚态（BIC）是超构表面获得高Q值的两种常用方法。根据形成的物理机制,连续域束缚态（BIC）可以分为对称保护型BIC和偶然BIC,其中,应用最广泛的是对称保护型BIC,它通过打破结构或入射条件的对称性来实现与远场辐射的耦合,形成高品质因子的准BIC共振模式。然而,目前的对称保护型BIC主要依赖打破纳米颗粒的形状或尺寸对称性来获得准BIC,为了获得超高品质因子,要求不对称因子极小,这对纳米加工提出了极为苛刻的要求,极大地限制了在实验上制备出具有超高品质因子的准BIC超构表面。针对以上问题,本论文提出了一种基于表面晶格共振杂化的对称保护型BIC形成方法,通过纳米颗粒的相对位移来打破晶格单元的结构对称性,获得了具有超高Q值的双频准BICs超构表面,研究了其共振峰位、Q值、偏振方向的调控特性,并探索了其在折射率传感方面的应用。具体研究内容和主要结果如下: （1）基于双晶格复合嵌套和单元中间颗粒相对位移,提出了一种SLR杂化的双频BICs形成方法。通过将颗粒尺寸完全相同的两个晶格复合嵌套和错位,使得等效单元的中间颗粒与单元中心位置发生相对位移,由此打破晶格单元的结构对称性,在特定线偏振光入射下,实现了两个晶格所支持的面内电四偶极SLR和面外磁偶极SLR各自的杂化,从而获得了双频共振的面内电四偶极BIC和面外磁偶极BIC。利用SLR的可调性,通过改变颗粒大小和阵列周期,实现了双频准BICs的共振波长和Q值的灵活调节。通过微纳加工和光学表征,进行了实验验证,并且测得了高达1240的Q值。（2）基于单元中间颗粒与单元中心位置之间相对位移的方位,提出了一种双频准BICs的偏振调控方法。探索了在入射光偏振角度的变化下,双频准BICs的共振幅值的变化规律。发现了方位角与双频准BICs共振模式的偏振方向之间的函数关系,实现了完美的数值拟合。通过一系列参数的样品加工和测试,在实验上验证了这一偏振调控特性。（3）利用所得的双频准BICs的超窄线宽和极大的近场增强,讨论了其在折射率传感中的潜在应用。为了评估前述双频准BICs超构表面的传感性能,仿真计算了环境折射率对双频准BICs的共振峰位的影响规律,在理论上获得了这两个共振模式的传感灵敏度分别为553 nm/RIU和480 nm/RIU,二者的性能评价指标分别为FOM=1106和FOM=1200。这些性能表明:所获得的双频准BICs超构表面具有十分优异的传感性能,有望成为一种超高灵敏度的生化传感平台。

关键词：连续域束缚态表面晶格共振多极分解全电介质超构表面

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二维光子晶体能带调控及其表面晶格共振特性研究

二维光子晶体能带调控及其表面晶格共振特性研究

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作者：吴东达哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

二维光子晶体的能带结构使其能在亚波长尺度调制光波,在微纳光子器件领域受到广泛关注。实空间中微纳结构的晶格排布、晶格周期、单元尺寸、占空比和环境折射率与倒易空间能带结构存在密切联系,其丰富的自由度为光学模式调节带来巨大的... 详细信息

二维光子晶体的能带结构使其能在亚波长尺度调制光波,在微纳光子器件领域受到广泛关注。实空间中微纳结构的晶格排布、晶格周期、单元尺寸、占空比和环境折射率与倒易空间能带结构存在密切联系,其丰富的自由度为光学模式调节带来巨大的优势和发展前景。金属的表面等离激元模式在具备局域场增强作用的同时,能够突破光学衍射极限,常用于纳米尺度光信息传输和光与物质相互作用增强的研究。但由于等离激元系统中金属存在较强的欧姆损耗,在金属和介质界面传播时存在相位失配而无法向自由空间中辐射,导致其应用受限。当二维光子晶体的周期性结构与等离激元体系相结合时,可以弥补这些缺陷,提供相位匹配并抑制损耗,从而获得高品质的共振,即表面晶格共振(Surface Lattice Resonance,SLR)。这种具有窄线宽,高强度的共振模式大大提升了光与物质的相互作用效率,在荧光发射增强、生物传感探测和光信息传输等领域展现出广阔前景。本论文基于周期为400 nm的金属光子晶体结构,分别在六方晶格排布的银纳米孔阵列和蜂窝晶格排布的铝纳米锥阵列上,分析并调控其能带结构与荧光染料罗丹明6G(Rhodamine 6G,R6G)发光产生的相互作用,实现了具有方向性和偏振依赖性的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)发光现象,并依据能带和SLR在动量空间的信息探究ASE特性。本论文主要研究内容如下:(1)基于实空间与倒易空间的转换构建传播路径模型,采用传播路径模型和时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)对晶格的能带和光谱进行仿真与分析,系统性研究了六方晶格与蜂窝晶格光子晶体能带及其SLR特性。(2)采用阳极氧化和物理气象沉积方法,制备了六方晶格银纳米孔和R6G的复合结构,实现了基于周期性调制表面等离极化激元(Bloch-Surface Plasmon Polariton,BlochSPP)的放大自发辐射现象,并对发射光的方向性与偏振依赖性进行了研究。随着信号发射方向与偏振的改变,可以同步实现光强度的变化,在光放大器、光开关和集成光子器件方面有着良好的应用前景。(3)基于蜂窝晶格铝纳米锥阵列结构的SLR实现了R6G的放大自发辐射,搭建了动量空间能带测量系统,揭示能带与SLR在倒易空间中的光学特性,探究发光信号的光参量调控原理,对研究微纳结构中的光模式调控和光与物质相互作用具有重要的参考价值。

关键词：表面晶格共振放大自发辐射金属光子晶体能带结构

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金铝与银铝合金奈米粒子阵列之可调式表面晶格共振研究

金铝与银铝合金奈米粒子阵列之可调式表面晶格共振研究

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作者：杨奕然国立交通大学

学位级别：硕士

我们利用奈米微影制程制作金铝与银铝两种合金圆形奈米粒子阵列结构，并研究其所产生的表面晶格共振的光学性质。制程中我们参考“向上式”制程技术与结合热退火的方式，制作目标的合金材料。我们进一步调整合金材料的混合比例，并观察... 详细信息

我们利用奈米微影制程制作金铝与银铝两种合金圆形奈米粒子阵列结构，并研究其所产生的表面晶格共振的光学性质。制程中我们参考“向上式”制程技术与结合热退火的方式，制作目标的合金材料。我们进一步调整合金材料的混合比例，并观察其中所具有的可调变操作波长特性。在本论文当中，我们专注于金铝与银铝奈米粒子阵列所带来的表面电浆晶格共振，而表面电浆晶格共振能够产生强烈光与物质的交互作用。我们除了以模拟探讨结构周期、粒子半径与偏振方向对于消光光谱的影响，并以实验数据互相验证。此外我们发现，借由改变合金材料的混合比例可以得到不同的消光讯号，最终我们取得两种合金奈米粒子阵列的可调变操作波长范围。在实验上，金铝与银铝合金奈米粒子阵列分别具有155与137 nm的可调变操作波长范围，其中具备的奈米微影制程方式以及可调式电浆特性将成为表面电浆领域在可调变雷射或是色彩显示应用上的一大潜力。

关键词：表面晶格共振奈米粒子阵列奈米微影制程合金材料表面电浆应用

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微纳超材料中表面晶格共振效应的调控及其传感特性研究

微纳超材料中表面晶格共振效应的调控及其传感特性研究

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作者：谭楚瑄湘潭大学

学位级别：硕士

随着微纳集成器件规模的扩展,由分立微纳结构激发的局域表面等离激元共振因其高辐射损耗的影响而制约了其在光电子学应用的进一步发展。在分立微纳结构的基础上,将其构造成具有周期性的微纳超材料,能够支持一种超低辐射损耗的表面晶格... 详细信息

随着微纳集成器件规模的扩展,由分立微纳结构激发的局域表面等离激元共振因其高辐射损耗的影响而制约了其在光电子学应用的进一步发展。在分立微纳结构的基础上,将其构造成具有周期性的微纳超材料,能够支持一种超低辐射损耗的表面晶格共振响应。这种表面晶格共振响应起源于分立微纳结构中的局域表面等离激元共振与超材料中的瑞利衍射波模式的相消干涉,因而在共振特性上表征为极窄的共振线宽与强光场增强的特性,受益于此特性,微纳超材料被广泛地应用于生化传感、光谱增强等领域。然而,优良共振性能的表面晶格共振效应的激发往往需要将超材料嵌入在一个折射率均匀的环境中,这阻碍了其与周围物质分子的相互作用。而当破坏超材料环境的对称性,又会极大抑制表面晶格共振的共振振幅并增大其共振线宽,这对于传感领域的发展是一个不可避免的挑战。此外,当微纳超材料的制备出现一定误差,其必然使得其实际应用的性能难以达到最佳,而实现对于表面晶格共振效应主动的动态调控也是一个需要解决的问题。本文研究了金属、介质、半金属三种超材料中的表面晶格共振效应,并通过简单有效的策略实现了对表面晶格共振模式的调控。同时基于其优良的共振性能探究了所设计的超材料在等离激元传感领域的应用潜力。本论文的主要研究内容与新颖性如下:1、从理论上提出了一种新型介电纳米腔耦合金属圆台阵列的纳米超材料,在不对称介质环境下实现了兼具窄线宽(～8 nm)和强共振吸收(>95%)特征表面晶格共振模式的激发。通过近场分析定性地验证了所设计金属超材料结构中的模式机制,并结合gap腔共振理论与瑞利衍射波理论定量地验证了对应的模式机制。通过引入金属超材料的不同形状、光源偏振方向,介质损耗对于表面晶格共振的影响,验证了其在实际工艺应用的可行性。最后将所设计的金属超材料应用于折射率传感上,实现了灵敏度为527 nm/RIU与FOM值为64.2的传感性能,其在等离激元折射率传感应用上具有很大潜力。2、从理论上设计了一种新型圆柱二聚体介电超材料,实现了在不对称介质环境下同时激发窄线宽(～7 nm)和强共振吸收(>99%)的磁表面晶格共振模式。通过近场分析验证了介质超材料中吸收增强机制与磁表面晶格共振模式机制,并结合瑞利衍射波理论定量地验证了磁表面晶格共振模式的机制。同时,研究了不同几何参数对于此介电纳米超材料表面晶格共振特性的影响,并验证了其在实际应用的可行性。最后将此设计的金属超材料应用于折射率传感上,实现了灵敏度为580 nm/RIU与FOM值为77.3的传感性能。此外,在一定的晶格常数尺寸下,其磁表面晶格共振的灵敏度可以达到824 nm/RIU,而FOM值则高达242,这远超于其他介电超材料中磁表面晶格共振的传感性能。3、从理论上设计了一种新型半金属圆环超材料,通过改变半金属超材料的费米能级实现了对于表面晶格共振的动态调幅与调频。通过近场分析定性地验证了所设计半金属超材料结构中的表面晶格共振模式机制与Fano线型机制,并结合晶格衍射理论定量地验证了表面晶格共振的共振机制。同时,重点研究了不同费米能级对于表面晶格共振振幅与频率的调控。最后,将所设计的半金属超材料应用于折射率传感上,实现了灵敏度为5.95 THz/RIU与FOM值为123.9的传感性能。综上,这种半金属超材料能够有效地实现主动的动态调控高灵敏折射率传感器。

关键词：微纳超材料表面晶格共振表面等离激元等离激元折射率传感器

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