金属-介质混合式光学纳米天线中无极子模式的三次谐波产生研究

作     者：尹彦 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柳清伙;蔡国雄

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 070207[理学-光学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光学纳米天线 非线性纳米光子学 三次谐波产生 远场辐射 

摘      要：全介电光学纳米天线凭借其模式体积大和材料损耗低等特点,能够大大提高纳米系统的非线性光学性能。然而,它仍然存在相对弱的近场增强和较差的远场方向性等缺点。在本项工作中,提出了一种新颖的金属-介质混合式光学纳米天线,通过对高折射率硅纳米圆盘添加上层金属纳米圆环和下层金属薄膜,来引入等离子体共振(plasmonic resonance)效应和完美电导体(perfect electric conductor,PEC)镜面效应。通过双重增强硅盘内部的无极子(anapole)模式,可以获得极大的近场增强,从而提升其非线性性能,显著增强硅纳米天线的三次谐波产生(Third Harmonic Generation,THG)。另外,通过调整结构参数,还可以进一步对其非线性远场辐射方向性进行优化和调控。本文的主要工作如下:第一,电磁仿真方法和光学共振模式多极子展开方法。通过有限元方法来对器件进行仿真,利用多极子展开理论来分析其共振模式。第二,金属增强无极子模式的研究。通过引入两种金属结构,即上部金属纳米圆环和下部金属薄膜,来讨论不同物理效应对无极子模式和近场增强的作用效果。第三,基于无极子模式的金属-介质混合式光学纳米天线的THG与非线性远场辐射特性的研究。比较了无金属结构、单金属结构以及双金属结构对系统非线性性能的提升效果;数值结果表明,受益于这两种金属成分,与仅具有单一金属成分和不具有任何金属成分的结构相比,不仅THG效率提高了 1和3.5个数量级,其辐射方向性也得到了优化。本文拓宽了光学纳米天线提高THG效率和改善非线性远场辐射方向性的途径,为其在生物传感,非线性光源和许多其他方面的应用提供了广阔的前景。