金属手性微纳结构的非对称传输与圆二色性研究

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当电磁波入射到金属结构上时,金属结构当中的自由电子与入射的电磁波产生相互耦合,并在金属结构表面形成共振的近场电磁波,这种现象在光学中称为表面等离激元(Surface Plasmon,SP)。SP具有耦合作用强和高度局域化的光学特性,与SP密切相关的电磁共振强烈地依赖于具体的微纳结构。因此,SP提供了在亚波长尺度上控制光的可能性。通常,可以通过改变微纳结构的几何尺寸、形状和材质来控制SP的共振特性,从而满足其在负折射材料、超材料、表面等离激元电场增强、纳米成像、纳米器件、纳米电路、亚波长光波导和异常透射现象等方面的应用。基于SP效应的金属手性微纳结构的非对称传输特性(Asymmetric transmission,AT)和圆二色性(Circulardichroism,CD)具有信号强、信号便于调控等优点。本论文设计了平面手性金属微纳结构,并研究了它们的非对称传输特性或圆二色性产生的机理,主要研究工作如下:1、设计了一种单层倾斜矩形纳米孔阵列结构(TRNH),用有限元算法研究了该结构的AT特性。数值模拟结果表明,当圆偏振光照射时,在共振波长处,AT效应达到了 12%。AT效应的产生归因于该结构的LSP共振和SPP共振。同时,当圆偏振入射光波长跟该阵列周期匹配时,SPP共振引起可调的AT现象。此外,通过改变倾斜矩形孔阵列结构的几何参数来可以对AT信号的波长和强度进行调控。这些研究结果可以为为提高平面手性微纳结构的AT效应强度提供了一定的理论依据,并有助于更深地理解产生AT效应的物理机制。2、提出了由纳米孔和倾斜的纳米棒组成的超表面阵列,并通过有限元法研究了该超表面的CD特性。数值模拟结果表明,在入射光的照射下,薄膜和倾斜的纳米棒之间会形成振荡电流,并在近红外波段产生CD特性。通过对共振波长处的电流密度分布分析发现,CD来源于薄膜和倾斜纳米棒之间的电流振荡。结果表明,CD特性可以通过改变薄膜上的振荡电流来调节。此外,CD特性强烈依赖于入射光的偏振态、方向和结构的几何参数等。这些结果有助于设计新颖的手性光学结构,并为圆偏振器设计提供独特的方法。3、设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构(PCMN),并采用有限元方法研究了该手性阵列微纳结构的CD特性。为了进行对比,同时对G形微纳结构(GNS)的CD特性也进行讨论。数值计算结果显示,当入射光照射到结构上时,G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子共振模式。当G形微纳结构与无限长纳米线连接时,相较于单独的G型结构,共振波长均发生红移,并无限长纳米线加强了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度,使平面复合微纳结构的CD信号出现了明显增强。除此之外,研究了平面复合微纳结构阵列结构的几何参数对其圆二色性特性的影响。这些发现为提升平面手性微纳结构的圆二色性效应提供了指导思路和方法。4、设计了双层互相交叉的三个纳米棒结构(BTCN)阵列,研究了其CD特性并讨论了 CD增强的内在原理。应用有限元方法计算出了该阵列结构的透射光谱、CD光谱和在共振处的电荷分布。结果表明,在右旋偏振光与左旋偏振光的激发下,从该结构的透射光谱上,可以明显地发现透射差异,从而实现了 CD特性。从共振波长处的电荷密度分布可以看出,CD效应分别来源于在长波长处由于上层下层纳米棒中的电偶极子耦合形成的绑定模式和在短波长处形成的反绑定模式。除此之外,作者研究了各纳米棒之间的距离、纳米棒长度、相对距离以及不同旋转方向对CD特性的影响。这些研究结果为设计圆偏振器件和调控手性电磁场提供了一定的理论依据。
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