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对称性破缺对金属纳米球壳阵列中表面等离激元的影响

王秋谷  
【摘要】:对称性破缺效应是表面等离激元学(Plasmonics)中的一个热点问题,许多独特的光学性质来源于金属纳米结构的对称性破缺。本文从理论上研究了二维六角密堆金属纳米球壳阵列逐渐演化为纳米半球壳阵列时,这种对称性破缺体系中局域和非局域表面等离激元(Surface Plasmon, SP)模式的演化特点。本文的主要内容如下: 1、研究了球壳开口对局域的类球模(spherelike mode)和腔模(void mode)的影响。类球模的电场主要分布在球壳的外表面上,并在球表面形成电场的热斑(hot spot),热斑的数目取决于此模式的级数。当球壳开口较小时,类球模的共振强度和位置几乎不变;当球壳开口大到一定程度时,其共振强度很快减弱,直至消失。同时我们还发现,高阶类球模对球壳开口更加敏感,当球壳开口相对较小时就逐渐消失。腔模的电场则主要分布在球壳的内部;当球壳逐渐开口时,腔模承受着越来越多的辐射损耗,其共振强度同样也在逐渐的减弱。 2、当球壳开口较大时,由于类球模与腔模发生耦合而产生杂化SP模式。我们发现,当球壳开口较大时,尽管类球模与腔模共振已经变得非常微弱,但当两者的共振波长非常接近时,通过相互耦合会产生一个增强的SP共振。我们认为这种现象是由于腔模具有较大的光学散射截面而引起的。通过调节纳米杯(nanocup)内部和外部媒介的介电常数,可以调节这两个模式之间的耦合强度。而且这种杂化模式的共振波长会随着球壳开口的增加而逐渐蓝移。我们提出了SP驻波模型预测到的变化趋势与数值计算的结果相一致。 3、我们研究了球壳开口对非局域的布拉格型(Bragg-type)SP模式的影响。布拉格型SP模式在球壳表面存在多个电场热斑,因此球壳开口对它的影响相对类球模来说更大。数值计算的结果证实了布拉格型SP模式随着球壳开口逐渐增大很快就消失,但当球壳开口增加到一定的程度时这个模式又重新出现。我们通过考察其色散特性,确认这个重新出现的SP模式具有布拉格型模式的特点。我们认为,这个模式之所以能够大开口的情况下重新出现得益于纳米杯边缘所激发的电场热斑之间的近场耦合作用。数值计算也表明,当把阵列的周期逐渐增大时,这个模式就会消失掉。


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