微纳结构中的Fano共振和结构色特性研究

作     者：王倩 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐新龙

授予年度：2017年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：金属表面等离子体共振 超材料 洛伦兹(Lorentz)共振 Fano共振 月牙圆盘结构 结构色 

摘      要：当材料的尺寸进入微纳尺度后,所形成的微纳结构处于微观分子和宏观物质的过渡区域,出现很多新奇效应,例如,表面效应、局域场效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些效应使得微纳材料表现出特异的力、热、光、电、磁特性。对于微纳材料新奇特性的研究,是光物理研究的重要方向之一,同时也进一步促进了微纳材料的发展。微纳材料根据形成方式的不同,可以分为两类,一类为人工结构材料,例如通过光刻的方式制备的超材料（metamaterials）以及光子晶体（photonic crystal）等。这些人工材料中存在一类新的共振形式,叫做Fano共振。另一类为,自然界中存在的天然结构材料,它们在微观上具有周期性结构,引起特异的光电性质,例如某些蝴蝶的翅膀、孔雀羽毛的颜色等,其颜色不是体内化合物所引起的,称为结构色。本文主要研究了微纳结构的人工材料中Fano共振效应和自然材料中蝴蝶翅膀所存在具有虹彩效应的结构色。本文主要从以下五个方面展开了研究。第一章,介绍了金属表面等离子体、超材料、Fano共振、颜色和结构色的概念,概述了这些研究方向的背景知识和主要研究进展。第二章,针对微纳人工结构中观察到的Fano共振,采用MATLAB软件进行理论计算和拟合,对Fano共振和Lorentz共振之间的参数关系和互相转换做了分析研究,揭示出Fano共振的频率和线宽跟Lorentz振子的耦合系数之间的关系。当Lorentz振子的本征频率发生变化时,Fano参数也发生明显的转换。研究结果表明通过在超材料和金属纳米材料中对Lorentz共振的设计可以实现控制Fano共振的产生,相关的研究成果已在 Optical and Quantum Electronics 发表。第三章,提出基于金属银材料的月牙椭圆盘结构（Nano-crescent elliptical disk,NCED）模型,采用商用软件COMSOL进行模拟,观察到局域电场增强的多极Fano共振。研究椭圆结构几何尺寸和周围介电常数的改变对多极Fano共振的影响。对模拟结果进行分析和拟合,结果显示多极模式的局域电场增强因子与椭圆盘的短轴和结构的环境折射率成线性函数关系。多极Fano共振的研究进一步促进了多极Fano共振的模拟、非线性光学响应、生物化学传感和光子器件的发展,相关的研究成果已经撰写成文,已投EPL。第四章,选取绿带翠凤蝶为测量样品,研究了其闪亮后翅结构色的产生机理和偏振特性。借助电子扫描电镜和宏观变角度测量系统,对它的虹彩色进行光谱测量,结构分析和理论计算,讨论了蝴蝶翅膀中微纳结构的反射、偏振和传感特性。相关的研究为基于自然界结构材料的仿生和传感应用提供了技术平台。第五章,总结了我们在微纳材料中Fano共振理论计算、多极Fano共振模拟和蝴蝶翅膀结构色测量方面所取得的研究成果,并展望了在这些成果基础上可能进一步开展的研究工作。