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等离激元与微腔相互作用的调控研究

等离激元与微腔相互作用的调控研究

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作者：任天航北京邮电大学

学位级别：硕士

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)作为约束在金属和介质表面传输的电磁波,因为其能突破传统集成光学衍射极限和方便集成于小型化器件的能力近年来广受科研人员的关注。其波场能量在两种介质的分界面处局域最大化,随后向... 详细信息

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)作为约束在金属和介质表面传输的电磁波,因为其能突破传统集成光学衍射极限和方便集成于小型化器件的能力近年来广受科研人员的关注。其波场能量在两种介质的分界面处局域最大化,随后向两边呈指数级衰减,并在此过程中展现出极强的电磁场放大约束性,为人们在纳米尺度上对光场、光与物质相互作用的调控等未来新技术提供了新的方向。光学微腔作为典型表面等离激元波导的一种,其能在亚波长尺度提供光场来回振荡的能力,可以实现谐振器内对称电磁模式和反对称电磁模式的互相作用,与其他单元器件的集成,更可以实现丰富的耦合现象,为微纳米光子器件提供技术保障。此外,由于微腔等离子体激元的激发相移取决于环境,耦合微腔光子等离子体结构比传统的局域等离子体激元传感器对环境变化具有更高的灵敏度。在本文中,我们利用FDTD仿真计算和理论分析,对微腔与金属周期阵列结合的复合结构的吸收特性和特殊物理现象进行了一系列探究,并进一步探究二维材料在其中的作用,为耦合相互作用的调控提供了一个有想象力的平台。其具体研究内容如下:1.基于法布里-珀罗微腔和银纳米周期天线阵列的复合系统。我们用时域有限差分法(FDTD)从理论上研究了局域表面等离子体激元共振、银纳米棒阵列中的晶格模式和共振法布里-珀罗微腔之间的多模耦合。在计算的杂化纳米结构的吸收光谱中,观察到1.46ev的巨大拉比分裂和新建立的杂化模式中的反交叉行为。通过调节法布里-珀罗微腔的厚度可以控制耦合系统。通过使用耦合振子模型计算Hopfield因子,我们进一步分析了每个原始模式的加权效率。我们的工作提出了可调谐多模超强耦合系统,这为室温量子应用铺平了道路,例如光学调制器、多模激光器以及光学和红外范围的多模传感器。2.基于诸如二维材料、有机荧光染料分子、石墨烯、钙钛矿、超材料等新型材料参与的微腔相互作用的调控研究。分析了现如今炙手可热的新型材料的发展背景和其独到的优势,尤其在光学特性方面,并对其材料的表征特性介电常数进行计算分析和温度对类似的半导体性质的新型材料的影响。给出了 WS2的透射光谱图和随温度改变的激子共振关系图。伴随着WS2的加入,对微腔金属阵列系统的相互作用的影响,产生了四分支的Rabi劈裂,巨大的原劈裂未变,在此基础上拓展了小的约100meV耦合劈裂,并以此可以推演出不同性质材料对超强耦合过程中更多模式调制的重要作用。在环境条件和大的光谱范围内,为真正可应用的量子光学多比特调制器和通信器提供有利的技术支持和平台。

关键词：表面等离激元超强耦合多模相互作用法布里-珀罗微腔二维材料

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