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基于亚波长波导结构的fano共振与传感特性研究

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基于亚波长波导结构的Fano共振与传感特性研究

作者：郭子聪广东工业大学

学位级别：硕士

光子器件由于经典衍射极限的限制导致其在尺寸上的发展达到了瓶颈。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在亚波长范围内调控光的方式,它的优点是能够突破经典衍射极限,为光子器件芯片的集成化带来了希望。金属-介质-金... 详细信息

光子器件由于经典衍射极限的限制导致其在尺寸上的发展达到了瓶颈。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在亚波长范围内调控光的方式,它的优点是能够突破经典衍射极限,为光子器件芯片的集成化带来了希望。金属-介质-金属(Metal-insulator-metal,MIM)波导凭借其尺寸小、易激发和结构简单等优势,受到了学者们的广泛关注。fano共振是离子结构中产生的模式干涉效应,因为具有非对称且尖锐的线型以及对折射率变化较敏感等性质,所以可以应用在折射率传感以及慢光等领域。近年来,石墨烯表面等离激元由于光学特性特殊、可调控性和电磁场的局域效应较强等特性,因此成为了广大学者们的研究热点。本文设计了两种不同的波导结构,利用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain,FDTD),同时结合耦合模理论(Coupled mode theory,CMT)以及多模干涉耦合模理论(Multimode Interference Coupled Mode Theory,MICMT)进行分析,重点探讨基于亚波长波导结构的fano共振机理及其传感特性。本文的主要研究内容如下:(1)首先,提出了一种十字型矩形腔的MIM波导结构,实现了三个fano共振峰,并研究了结构中fano共振的生成机理,结构折射率灵敏度最高可达1000nm/RIU,能够用于构造折射率传感器。其次,在十字型矩形腔的左侧增加一个矩形腔,得到了五个fano共振峰。再次,在十字型矩形腔右侧再增加一个矩形腔,实现了六个fano共振峰。最后,分别研究了复合结构的传感性能以及慢光特性。(2)首先,提出了一种基于石墨烯等离激元的L型石墨烯条结构,在太赫兹波段范围内产生了等离子体诱导透明(plasmon-induced transparency,PIT)现象,利用电场能量图解释了结构中PIT的形成机理。其次,通过改变费米能级来实现光开关的功能,同时改变折射率所得到的灵敏度最高可达2.725THz/RIU。再次,通过增加两个不同大小的L型石墨烯条能够额外产生两个PIT窗口。最后,分别研究了复合结构的传感性能。

关键词：表面等离子体激元金属-介质-金属波导 fano共振折射率传感石墨烯表面等离激元

双半环腔波导的fano共振和三短截线腔波导的PIT效应

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双半环腔波导的Fano共振和三短截线腔波导的PIT效应

作者：郝祥祥陕西师范大学

学位级别：硕士

在信息通讯技术迅猛发展的今天,电子器件逐渐接近物理极限,无法满足未来的需求,光子器件作为其替代产品被广泛研究。但由于光衍射极限的存在,阻碍了小型化和集成化光子器件的进展。表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)可以打破衍射极限... 详细信息

在信息通讯技术迅猛发展的今天,电子器件逐渐接近物理极限,无法满足未来的需求,光子器件作为其替代产品被广泛研究。但由于光衍射极限的存在,阻碍了小型化和集成化光子器件的进展。表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)可以打破衍射极限,在纳米尺度下实现光信号的处理与传输,成为高度集成光子器件的基石。在各种支持表面等离激元的纳米结构中,金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导结构因具有损耗低、传播距离长、对光的束缚效果好且容易制备等诸多优点而被广泛应用于光路系统中。MIM波导结构能够激发一些特殊的光学现象,如fano共振和等离子体诱导透明效应(Plasmon-induced transparency,PIT)等。fano共振来源于离散态能级和连续态能级的相互耦合,在谱线上表现出尖锐且不对称的形状,在性质上表现出对介质表面和周围环境的极度敏感。PIT来源于宽带亮模和窄带暗模之间的破坏性干涉,在谱线上呈现出一个狭窄的透射率几乎为1的透明窗口,在性质上表现出较大的群延迟和慢光效应。基于这些光学特性,MIM波导结构被广泛应用于光开关、滤波器以及传感器等领域。本文提出两种MIM波导等离子体纳米结构,用有限元法对其进行数值模拟,研究了其透射特性。第一部分:提出了一种双半环腔MIM波导耦合结构(Double Semi-Rings,DSRs),它能产生两个典型的fano共振。首先研究了该结构中窄的离散态对fano共振的意义。其次讨论了fano共振峰和谷随结构参数的变化规律,并在DSRs结构中实现了fano共振的独立调控。此外研究了该结构的传感特性,其折射率灵敏度和FOM最大分别为1260 nm/RIU和17473/RIU。最后通过在DSRs结构上添加三角形腔构成DSRs-T(Double Semi-Rings and Triangle,DSRs-T)结构来实现四重法诺共振。所提出的系统能够产生透射率大、可调性好和灵敏感度高的多重fano共振,因此可用在光开关和传感器等领域。第二部分:提出了一种三短截线腔MIM波导耦合结构(Three Stubs,TSs),它能产生四个具有高透射率的PIT效应。首先探究了每个PIT的激励模式,通过改变结构参数实现了半独立调控和激发出更多高阶模式的PIT。其次,通过在TSs结构上添加一个短截线腔构成FSs(Four-Stubs)结构实现五个窗口更窄的PIT。最后得到该系统的折射率灵敏度和FOM最大分别为1340 nm/RIU和251/RIU。由于该结构简单易造,能够产生多个具有高FOM的PIT,在超窄多通道滤波器和高精度光传感器等方面具有巨大的应用潜力。

关键词：表面等离激元金属-绝缘体-金属波导 fano共振等离子体诱导透明

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等离激元金属二聚体结构的fano共振研究

等离激元金属二聚体结构的Fano共振研究

作者：李星童华东师范大学

学位级别：硕士

等离激元金属纳米结构中的fano共振,是一种源于金属纳米结构等离激元模式相互耦合而产生的光学现象,具有狭窄且不对称的线形及对结构和环境的高度敏感性等特征,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而... 详细信息

等离激元金属纳米结构中的fano共振,是一种源于金属纳米结构等离激元模式相互耦合而产生的光学现象,具有狭窄且不对称的线形及对结构和环境的高度敏感性等特征,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。其中,二聚体结构作为能产生fano共振较简单的等离激元耦合体系,已从较多理论研究中证明了fano共振是由二聚体结构中的一个偶极模式和一个多极模式发生相消干涉而产生的,但在单颗粒尺度下对单个金属纳米二聚体结构的fano共振的实验研究仍然很少。本论文基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的fano共振现象,采用实验测量与理论模拟结合的方法,研究了金-金纳米棒二聚体结构的光学性质。首先利用种子生长法制备了等离激元共振峰在1060 nm处的长金纳米棒和700 nm处的短金纳米棒。鉴于不同浓度的化学试剂和实验条件(如温度、时间等)可以调节金纳米棒的长径比、形状和光学性质等特性,本文分别探究了金纳米棒的生长过程中加入不同浓度的缩合剂、还原剂和生长诱导剂对其产生的影响。分析金纳米棒水溶液的吸收光谱变化,总结得出了最适宜制备共振峰在1060 nm和700 nm金纳米棒水溶液的合成参数,从拍摄的SEM图像中得到了长短金纳米棒的平均长度分别为110 nm和55nm,对应的平均直径分别为17 nm和20 nm。其次,利用长短金纳米棒的自组装制备二聚体。通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建了首尾相连的长短金纳米棒二聚体结构。在长短金纳米棒的混合溶液中加入0.9 m M的L-半胱氨酸溶液,利用L-半胱氨酸分子中硫氢基团的强抱合作用自组装成金纳米棒二聚体结构,分析发生自组装前后混合溶液的吸收光谱和TEM图像,得出了影响金-金纳米棒二聚体结构产率的原因,相应地,提出了改进方法。最后研究了金纳米棒二聚体结构的fano共振。在自建的暗场显微系统中对单个金纳米棒和耦合的二聚体结构进行了暗场散射光谱的测试。结果表明一长一短金纳米棒耦合的二聚体结构,其散射光谱新增了位于660 nm处显著的fano共振谷,基于有限差分时域(FDTD)方法的理论模拟二聚体散射光谱则在656 nm处出现了fano共振谷,理论模拟与实验结果能够较好的符合。同时还分析了二聚体结构的近场电场分布图像,证明了二聚体结构中长短金纳米棒分别提供暗四极模式与明偶极模式,两个模式间的相消干涉导致了fano共振的产生。这种自组装的二聚体结构在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。

关键词： fano共振二聚体金纳米棒散射

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基于fano共振的SERS芯片研究

基于Fano共振的SERS芯片研究

作者：关芳电子科技大学

学位级别：硕士

拉曼光谱作为物质独特的“指纹”,可以达到定性分析物质的目的,表面增强拉曼光谱(SERS)技术被广泛应用于文物刑侦鉴定、食品安全、医疗制药等领域。SERS检测依赖高增益的SERS基底,而fano共振凭借高近场增强特性为SERS基底提供了新的思... 详细信息

拉曼光谱作为物质独特的“指纹”,可以达到定性分析物质的目的,表面增强拉曼光谱(SERS)技术被广泛应用于文物刑侦鉴定、食品安全、医疗制药等领域。SERS检测依赖高增益的SERS基底,而fano共振凭借高近场增强特性为SERS基底提供了新的思路。本文提出了一种低成本高效益的基于fano共振的SERS芯片,从数值仿真、实验制备到性能测试评估了其作为SERS增强基底的痕量检测能力,主要内容如下:首先提出了一种金纳米球二聚体-电介质-金膜结构,可产生从可见光到近红外波长的基于磁模式的fano共振,通过改变结构参数可以调节fano共振波长和共振强度,该结构对入射偏振方向敏感。灵活调谐、高吸收和低损耗的特性使这种结构在表面增强拉曼散射应用领域有巨大的潜力,但是由于异二聚体的自组装以及介质层厚度难以精确控制,该fano结构研究仅停留在理论阶段。其次,结合实验条件,实现了一种基于fano共振的纳米球七聚体结构。先通过数值仿真计算了纳米球七聚体的光学特性,分析了该结构的fano机制,研究了几种不同材料以及材料尺寸、间隙距离对fano特性的影响,从而对用于SERS增强基底的七聚体fano结构进行一个材料、尺寸的初步选择。然后采用模板辅助界面自组装的方法实现了七聚体结构的制备,介绍了整个自组装过程的原理,所用试剂对于界面自组装结果产生的影响以及最终的工艺参数。最后,对设计制备的SERS基底的吸收散射光谱进行了测试,介绍了这种在金纳米球2D薄膜的基础上利用AAO模板辅助自组装形成的七聚体纳米结构SERS基底的吸收散射光谱,并且和仿真结果进行对照分析了差异产生的原因。对硅基模板与AAO模板形成的七聚体SERS基底性能进行了测试比较,验证了AAO模板辅助自组装形成的SERS基底在拉曼增强上显著的优势,并分析了优势原因。测试对比了不同尺寸AAO模板形成的各种由不同数量金纳米球组成的低聚物SERS基底的拉曼增强效果,验证了基于fano共振的低聚物优于基于局域等离子体共振的结论。分析了基于fano共振的SERS芯片的检测灵敏度,发现对4-ATP的检测限低至10-M,可以预见该基底可能会成为一种具有低成本高效益的用于分子痕量检测的灵敏检测工具。

关键词：表面增强拉曼光谱 fano共振七聚体自组装微纳传感

基于fano共振效应的高铁声屏障降噪性能及优化设计研究

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基于Fano共振效应的高铁声屏障降噪性能及优化设计研究

作者：牛亚文西南交通大学

学位级别：硕士

随着高速铁路网络的不断完善与发展,列车运行引发的环境噪声对沿线两侧居民区的影响日益严重,为了提高沿线居民的生活幸福指数,需要采取科学、合理的降噪措施来有效治理沿线噪声污染问题,而在沿线噪声敏感处设置声屏障则成为了一种切实... 详细信息

随着高速铁路网络的不断完善与发展,列车运行引发的环境噪声对沿线两侧居民区的影响日益严重,为了提高沿线居民的生活幸福指数,需要采取科学、合理的降噪措施来有效治理沿线噪声污染问题,而在沿线噪声敏感处设置声屏障则成为了一种切实可行的方式,但现有高铁声屏障存在通风性能差和自重大的问题。此时,声学超材料的出现为高铁声屏障的设计提供了新的思路,因此本文利用声学超材料优越的声学性质,针对此问题提出新型高铁声屏障设计,以期有效阻隔高速列车运行时轮轨噪声的传播,同时为高铁沿线环境噪声控制提供新的研究思路。具体研究主要从以下几个方面展开:(1)从机械类比的角度揭示了fano共振的特性,基于此提出了一种由螺旋通道与中空通路相互组合的声学超单元结构,并对其开展了隔声机理、隔声性能以及隔声测试研究。分析表明,超单元是利用声学螺旋结构构造离散态和中空结构构造连续态之间的耦合来实现fano共振的,能够对特定频带的声波能量实现高效隔离,且仿真与试验结果具有较高的一致性,验证了超单元隔声计算模型的正确性。(2)基于超单元结构,根据隔、吸声相结合与排列组合不同尺寸的超单元来拓宽隔声频带的设计理念,提出了两种新型高铁直立式声屏障设计,分别为复合结构声屏障与两超单元组合声屏障。新型声屏障在阻隔宽角度入射声波的同时能够实现通风透光的功能,具有厚度薄、自重小、通风性能好等优点。(3)针对两种新型声屏障,分别建立了复合结构声屏障与两超单元组合声屏障的三维半声屏障模型,分析了声屏障模态、自然风压和脉动风压组合作用下声屏障结构的动力响应,并对声屏障整体结构的强度进行了检算。结果表明,所设计的两声屏障可以保证在组合风荷载作用下的安全性,同时也验证了设计的可行性。

关键词：高速铁路声学超材料 fano共振通风声屏障噪声控制安全性分析

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基于fano共振超表面的多功能传感器设计

中国激光 2023年第10期50卷 176-185页

作者：刘海任紫燕陈聪高鹏乔昱嘉冯越罗灏中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116

基于fano共振超表面所具有的高品质因数Q以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构,探究了超表面结构参数与品质因数Q、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重fano共振至双重fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆... 详细信息

基于fano共振超表面所具有的高品质因数Q以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构,探究了超表面结构参数与品质因数Q、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重fano共振至双重fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度,选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数Q最大可达3408,双重fano共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到1.57 nm/%(对应dip1)和1.66 nm/%(对应dip2),对背景折射率的测量灵敏度为419.45 nm/RIU和395.7 nm/RIU,FOM(figure of merit)值分别为524.3 RIU-1和542.8 RIU-1。此外,入射光偏振角度对此传感结构的fano共振透射光谱强度具有一定影响,这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。

关键词：传感器 fano共振全介质超表面甲烷传感器偏振敏感光学传感器

纳米环-七聚体金属-介电结构的多重fano共振特性

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中国光学（中英文） 2023年第1期16卷 214-227页

作者：吕靖薇王德宝刘超刘强王建鑫杨琳牟海维朱剑豪东北石油大学物理与电子工程学院黑龙江大庆163318 香港城市大学物理系中国香港九龙999077

为实现可调谐的多重fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器,本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构,利用有限元方法(Finite Element Method,FEM)研究了fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明,纳米环-七聚体金属-介电... 详细信息

为实现可调谐的多重fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器,本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构,利用有限元方法(Finite Element Method,FEM)研究了fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明,纳米环-七聚体金属-介电纳米天线的fano共振特性对高度、入射角度和结构间隙的变化非常敏感;纳米天线的电场强度和电偶极源激发下的珀赛尔系数(Purcell factor,PF)可达134.74 V/m和3214,使得纳米天线中心位置附近的电场强度得到大幅增强;复合纳米天线结构具有较高的灵敏度S和品质因数FOM,分别为1400 nm/RIU和17 RIU^(-1),可作为评价高灵敏度折射率传感器的重要性能指标。本文为实现复合纳米天线结构中fano共振的可调谐特性提供了一种可行途径,为表面增强拉曼散射、量子发射器和折射率传感器等实际应用奠定了坚实的理论基础。

关键词：纳米天线折射率传感器 fano共振近场增强

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基于深度学习的fano共振超材料设计

中国光学（中英文） 2023年第4期16卷 816-823页

作者：杨知虎傅佳慧张玉萍张会云山东科技大学电子信息工程学院、青岛市太赫兹技术重点实验室山东青岛266590

本文提出了一种基于深度学习的超材料fano共振设计方法,能够获得高Q共振的线宽、振幅和光谱位置特性。利用深度神经网络建立结构参数和透射谱曲线之间的映射,正向网络实现对透射谱的预测,逆向网络实现对高Q共振按需设计,设计过程中实现... 详细信息

本文提出了一种基于深度学习的超材料fano共振设计方法,能够获得高Q共振的线宽、振幅和光谱位置特性。利用深度神经网络建立结构参数和透射谱曲线之间的映射,正向网络实现对透射谱的预测,逆向网络实现对高Q共振按需设计,设计过程中实现了低均方误差(MSE),训练集的均方误差为0.007。与传统方法需要耗时的逐个数值模拟相比,深度学习设计方法大大简化了设计过程,实现了高效、快速的设计目标。对fano共振的设计也可推广应用到其它类型的超材料的自动逆向设计,显著提高了更复杂的超材料设计的可行性。

关键词：超材料神经网络 fano共振逆向设计深度学习

基于全介质超表面多fano共振的特性及其应用研究

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基于全介质超表面多Fano共振的特性及其应用研究

作者：史宣豪北京邮电大学

学位级别：硕士

由于自然存在的材料原子种类和晶格排列虚构有限,根本上限制了光学应用的进一步发展。超材料应运而生,超材料的性质不仅与材料本身的化学组成有关,更与组成它的微结构单元决定,通过调节超材料的结构,原则上可以实现任意的等效介电常数... 详细信息

由于自然存在的材料原子种类和晶格排列虚构有限,根本上限制了光学应用的进一步发展。超材料应运而生,超材料的性质不仅与材料本身的化学组成有关,更与组成它的微结构单元决定,通过调节超材料的结构,原则上可以实现任意的等效介电常数和磁导率,包括负折射率的实现。考虑到结构制备,功能调谐以及系统集成的复杂度问题,超构材料朝着低损耗,超薄,可调,易于集成的方向不断发展,并经历了从三维体结构到二维平面超表面结构的逐步转变。本文基于全介质超表面探索了其在传感器,慢光和光开关等应用场景的潜力。主要研究成果如下:(一)首先给出了一种具有自定义五边形刻蚀孔的Si全介质超表面,通过不对称参数的调控,成功的激发出了两个符合对称保护型BIC机制的fano峰,且支持环形偶极子模式,经计算其传感性能较高,灵敏度最高为240nm/RIU,FOM值最高为700RIU-1。之后基于该五边形刻蚀孔方案,将五边形改为半圆形,结果发现在远场激发出了无极子模式,这来自于TD和ED的破坏性干涉,降低了辐射损耗,使其场局域能力进一步加强。并且获得了更加优秀的传感性能,灵敏度和 FOM 值分别为 277.5nm/RIU、1387.5 RIU-1。(二)研究了多层全介质超表面的慢光应用。首先给出了单层超表面结构,分析了其近场电磁场分布和传感性能,发现其四个fano峰波长处的电磁场均主要分布在结构的缝隙之中,这给超表面带来了优秀的传感性能,计算得到四个法诺峰的灵敏度最高达到了365nm/RIU。之后在单层超表面结构之中加入一层Si,分析新Si层的引入对于电场的增强作用,发现多层超表面中最高达到了 154倍的电场增强,是单层超表面75.2的两倍多。所以,多层超表面对于电场有明显的增强作用,由此带来的电磁场的增强可以增强非线性响应,如拉曼反射、能量导引和谐波产生等。最后分析类EIT的慢光特性,计算得到群时延为3.22ps,具有很好的慢光应用潜力。同时激发出的多个fano对于极化角度的变化表现出不同的行为,有四个峰被打开,三个峰被关闭,还有的峰表现为极化无关特性,所以给出的结构也可以应用于双向光开关。本文设计的超表面结构为全介质超表面在传感器、慢光、光开关等领域的应用提供了灵感,且创新性的提出多层全介质超表面的结构,对全介质超表面的研究具有指导意义。

关键词：全介质超表面连续域束缚态 fano共振慢光传感器