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《郑州大学》 2019年
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基于等离激元纳米激光器的设计与研究

袁栋栋  
【摘要】:随着光子器件和纳米技术的发展,器件的体积越来越趋向于小型化,作为光子器件常用光源之一的激光器也随之趋向于小型化。但是传统的激光器由于大的谐振腔和不能突破衍射极限的原因,使其物理体积不能缩小到纳米尺度。然而,表面等离激元远小于自由空间光波长,这赋予了它突破衍射极限的特性,因此表面等离激元受激辐射放大(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation,Spaser)能够突破衍射极限,为实现激光器的微型化提供了一种新的方法。本文研究内容主要包括以下两个内容:1、基于Fano共振的Spaser性能研究。在Spaser器件中金属是产生表面等离激元的必备材料,但是金属中存在着不可消除的欧姆损耗以及辐射损耗,这些损耗的存在会提高Spaser阈值,为Spaser的构造和走向应用化增加了难度。因此如何减少金属结构中的辐射损耗来实现低阈值的Spaser在当前受到了研究者的广泛关注。Fano共振是由等离子体共振的亮模式和暗模式相互耦合形成的,其具有暗模式弱辐射的特点,因此可以实现基于Fano共振的低阈值Spaser。我们提出了一个具有Fano共振效应的四聚体结构,该四聚体由纳米天线和T形对组成,利用有限元软件COMSOL模拟计算了其散射、吸收光谱,光谱中出现了Fano共振峰。随后理论研究研究该结构的Spaser特性,计算结果表明该模型具有较低的阈值0.0386,且输出激光具有极窄的线宽。我们通过改变金属结构的几何尺寸,实现Spaser输出波长的改变,并且即使在几何尺寸改变后阈值依然很低在0.03-0.04之间。2、基于多共振基底的Spaser性能研究。首先,我们提出了以四个十字型金属结构组成的四聚体为基底的Spaser模型,并使用有限元软件COMSOL对所提出的结构进行仿真模拟,为在一个器件中实现Spaser输出波长的改变提供一种新的方法。我们详细研究了等离子体四聚体结构的光学特性,分析其产生的三种等离子体共振模式的来源,然后利用增益材料对三种等离子体共振模式进行激发实现3个不同的输出波长,这证明了我们的方法可以在一个Spaser器件中实现不同波长的激光输出。此外,还研究了结构几何尺寸对Spaser波长的影响,改变等离子体结构在竖直和水平方向上金属臂的长度后,计算结果证明Spaser输出波长也发生改变,即我们所提的结构也可以通过改变结构的几何尺寸来实现Spaser波长的改变。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN248

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