论文部分内容阅读
随着新一代光电子器件及集成产业、纳米光子学与技术、量子信息等方面发展需求,构造纳结构操纵和控制光场,发展更小、更快、更好的新型光子器件,已成为国际研究前沿和新技术领域竞争的热点。纳米共振单元对作用于其上的光有特定的振幅和相位响应,通过改变其结构参数可以有效实现光偏振态或传输特性的调控,同时以纳结构为构造单元的光子器件不仅能改善传统器件的性能,而且会实现新的器件功能。典型的纳米共振单元有纳米金属颗粒、量子点(QDs)、纳米腔等。本论文面向新型纳光子器件,通过研究纳米单元共振及其耦合作用特性,设计构造纳米共振单元及其复合结构有效调控光偏振态或其传输特性,诣在设计基于纳结构构建的新型光偏振及传输调控系统。主要研究成果如下：1、解析分析了单个金属纳米颗粒、颗粒二聚体、三聚体结构的光场响应特性,使得金属纳米颗粒与光相互作用的物理图像更为清晰、易于理解,为设计金属纳米复合颗粒结构对光场的调控研究奠定了物理基础。2、基于对单个V型金属纳米颗粒散射光的偏振特性分析,提出了表面等离激元超表面(Plasmonic Metasurface)构建的新型径/切向偏振光生成器的设计方案,给出了基元结构所需满足的条件,据此设计了由V型、Y型颗粒构建的透射式以及由椭圆Au颗粒-MgF2-Au基底结构构建的高效反射式径/切向偏振光生成器,并数值模拟验证了器件特性。3、理论分析了双QDs耦合银纳米线(AgNW)以及双纳米腔耦合金属-介质-金属(MDM)波导调控的SPP (Surface Plasmon Polaritons)传输特性；结合两调控结构的优点,设计了单QD耦合FP纳腔调控AgNW-PMMA-Ag基底波导结构中SPP传输特性的系统,系统透射谱中出现了一个位于禁带背景中的锐利的Fano线型,并对影响该线型的因素做了分析。4、基于耦合波理论,从三角函数调制的类PT单向无反射波导出发,分析并提炼出一个实现单向无反射的关键条件：模式的单向耦合。据此条件设计了一个类PT三元层状单向无反射结构,理论推出了结构参数所满足的简明的充要条件,并对其进行了数值模拟验证,且从模场干涉叠加的角度给出了产生单向无反射的物理机制。1、设计了一种由椭圆Au颗粒-MgF2-Au基底结构构建的新型高效反射式径/切向偏振光生成器件。器件反射效率(转换效率)可达70%以上,厚度在深亚波长范围内,工作波长在可见光范围可以进行调节。器件结构的设计思路及步骤简单、清晰、易解,对其它新型的纳米光学器件的设计有一定的启发和借鉴意义。2、设计了高品质的单QD耦合FP纳腔调控AgNW-PMMA-Ag基底波导结构中SPP传输系统：1、结构支持一局域在AgNW与Ag基底中间的Gap传输模式,模式局域性较强损耗较小,提高了QD与腔的耦合效率：2、利用了QD的窄谱响应特征,使得结构透射谱中的Fano线型非常锐利：3、结构中的FP纳腔由布拉格光栅构成,其为透射谱中的Fano线型提供了一个较平缓的禁带背景,增强了线型变化的对比度。3、设计了类PT三元层状单向无反射结构,实现了实部与虚部调制材料在空间上的分离,最终构成结构的材料仅需三类,增加了天然材料的可用性；结构的层状特点降低了其制备上的难度,具有较强的实用性。设计过程中分析并提炼出了实现单向无反射的关键条件,给出了结构参数所需满足的简明的充要条件,并从模场干涉叠加的角度解释了结构产生单向无反射的原因,这些理论分析对其它单向传输结构的设计有着重要的启发和指导意义。