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对称破缺及相变对超构材料光学性能的影响

黄万霞  
【摘要】:近几年来,超构材料已经发展成为横跨物理学、化学、生物学以及医学等领域的一个引人瞩目的研究热点。人们使用超构材料不断得到新的现象,如负折射、隐身、Fano共振、等离激元诱导透明以及光学活性等。它已经吸引子世界上许多科学家和研究组的广泛关注。 本文中对超构材料的光学性能进行了实验和理论研究,包括结构的对称破缺对光学性能的影响以及相变材料在变温下发生相变时对光学性能的调控,得到了若干有意义的结果,如:Fano共振、类等离激元诱导透明、光学活性;二氧化钒(VO2)相变导致的开关效应等。这些结果对超构材料的设计和应用有一定的指导作用。 1)从实验上和数值模拟上研究了圆孔中插入非对称的开口环(ASR)的复合超构材料的光学性能。首先研究了忽略该超构材料的腔与ASR间的相互作用,研究表明透射峰和谷与ASR的局域等离激元共振相联系,其中峰来源于大的和小的SRR的共振,而谷来源于二者间的耦合。随后研究了考虑该超构材料的腔与ASR间的相互作用,研究表明随着腔半径的减小,即耦合增强,峰谷发生红移。用LC回路模型可以解释这些结果。 2)在传统的金属纳米颗粒的等离激元诱导透明(PIT)中,PIT透射峰的强度随着耦合强度的增加而增强。而在由圆孔和狭缝组成的平面超构材料中,我们实验上观察到类似的等离激元诱导透明。与传统的纳米颗粒的PIT不同的是,这种超构材料的透射峰可以通过复合衍射消逝波与直接透射波的干涉来调节。衍射消逝波增强透明的理论模型很好地解释了实验现象和数值模拟的结果,这种理论模型为获得低损耗的超构材料提供了一种新的模型。 另外,在对圆孔和狭缝组成的、有部分重叠的平面超构材料研究中发现结构的对称破缺,导致了透射峰的劈裂,LC回路的模型很好地解释了实验现象和模拟结果。 3)从实验上和数值模拟上研究了由万字形手性对称破缺的孔阵组成的超构材料的光学特性,结果表明手性对称破缺的引入导致了透射峰的劈裂,并且这种破缺对旋光和圆二向色性有重要的影响。这种超构材料在摄影术、生命科学显微技术、偏振控制器和圆偏振器等方面有潜在的应用。 4)在实验上,制备了由金属带和二氧化钒带组成的金属/半导体/金属的三明治的纳米带超构材料,并且研究了该超构材料的光学性能,研究结果表明具有二氧化钒带的超构材料可以用作为温度控制的光学开关,磁共振可以解释这种开关的物理机制。 另外,数值模拟了含有VO2中间层的双层渔网结构的光学性能,研究表明双层渔网结构也可以实现开关的功能。FP共振的模型很好地解释了这种结构的物理机制。


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