径向偏振光束激发的金属纳米球-纳米圆盘间隙模式等离激元共振光谱特性研究

提出了一种可用于表面增强拉曼测量的基于金属纳米圆盘上方放置金属纳米球颗粒构成的金属纳米结构,其在径向偏振光束激发下,由于金属纳米圆盘的呼吸模式表面等离激元共振的作用,可以形成纵向电场有效增强的间隙模式等离激元共振。对此进行了有限元模拟计算研究,计算结果证明该间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量增强了100倍以上。为了更清晰地展现这种新型纳米结构的光谱特性以及表面电场分布特征,同时对单个金属纳米圆盘,单个金属纳米球,金属薄膜,金属纳米球-金属薄膜这几种纳米结构在同一个模拟计算框架下进行了计算以及比较分析。由于可以把金属纳米球类比为金属探针的尖端,所提出的新型间隙模式也有望在针尖型拉曼增强中得到应用。

金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学。位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少。该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、磁场增强,研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下,金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式,该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用,可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。通过数值模拟计算研究,证明该金属纳米结构间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量即近表面电场的增强因子高达250倍;而近表面磁场的增强因子高达170倍。为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、磁场分布特征,还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、近表面磁场振幅分布以及近表面电、磁场共振波长的对比分析,计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、磁场增强优势以及较宽的频谱波段。由于本文提出的金属纳米结构具有电、磁场增强优势,希望计算结果能应用到更多的研究领域当中,尤其是生物医学等领域,为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。

基于薄金属圆盘近场衍射的固态-原子混合系统

为实现纳米器件表面冷原子的囚禁,需深入研究圆盘矢量衍射在近场中的传播规律。文中采用有限元方法研究了线偏振平面波经过亚波长薄金属圆盘的衍射问题。研究发现在近场范围内,衍射场中不仅存在原偏振方向的入射场,而且在其它两个垂直方向上也有强度分布(随着传播距离增大很快衰减消失)。在此基础上,文中提出一种薄金属圆盘与原子耦合的混合系统。薄金属圆盘矢量衍射在近场形成的亚波长势阱,可以对100 nm以内单个或少量冷原子进行囚禁。通过改变圆盘参数,可以对混合系统中原子势阱的囚禁距离与势阱体积进行调控。该结果对微纳米光学器件研究及原子物理提供了一种新的混合系统方案。

激发等离激元Fano共振的金属类圆盘纳米结构体系

Fano共振效应是量子体系中分立态能级和连续态能带相互重叠,在光谱中表现出非对称线型的共振散射现象,最初由U.Fano经过严格的理论验证得到。近年来,在表面等离激元结构体系中也陆续发现了等离激元Fano共振现象,它是由结构支持的辐射模式和非辐射模式相互作用产生的。等离激元Fano共振具有光谱线宽较窄、辐射损耗小以及能够将入射场局限在结构表面并使近场显著增强等优势,因此成为了纳米光子学中的研究热点。在支持Fano共振激发的等离激元结构中,类圆盘结构具有较宽的辐射模式线宽,可以和结构支持的一个或多个弱辐射模式耦合,因此可以有效激发单一或多重等离激元Fano共振,并能够实现对Fano共振的有效调制。此外,类圆盘纳米结构体系在拥有高度几何对称性或规则的多个体数量条件下,仍然可以激发高强度的等离激元Fano共振模式,这进一步拓展了Fano共振纳米结构的设计思路。我们总结了近年来激发等离激元Fano共振模式的类圆盘结构组成的体系,其中包括单一圆盘结构、异类二聚体圆盘结构和多聚体类圆盘结构等,并对这些体系支持的Fano共振的产生机理和激发方式进行了详细的分析。另外,对支持等离激元Fano共振的类圆盘纳米结构的应用也进行了简单的论述。