银纳米结构的类电磁诱导透明现象的研究

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电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)最开始是指发生在三能级原子系统中的现象,产生该现象的原因是能级在系统中的相消干涉,发生于两个跃迁通道之间,导致的是在不具有透射产生光谱中出现了明显的透射峰,即透明窗口的产生,又有文献称其为电磁诱导透明。传统的EIT效应实现受制于实验条件,例如实验过程中需要稳定的气体激光器和超低温环境等。后来人们研究发现超材料和微纳结构也可以产生类电磁诱导透明现象实现,基于超材料和微纳结构来实现电磁诱导透明现象成为近几年的研究热点,因为微纳结构或超材料中它可以不需要严格的实验条件,人们将这种发现称之为类电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency-like,EIT-like)现象。如果类电磁诱导透明现象是基于贵金属结构的等离激元效应,这种类电磁诱导透明现象称为等离激元诱导透明(Plasmon Induced Transparency,PIT)现象。近年来,在纳米光子学中,由于等离激元微纳结构能在小面积内产生较大的电场强度。因此,将EIT与纳米等离激元结构相结合,为重现原子系统中的表面等离激元诱导透明现象提供了新的途径。在本论文中,首先我们创新性的提出一种可实现双透明窗口的简单结构。该结构在光源正入射下近红外波长790.79nm处和1100nm附近处出现一个较窄和较宽的透明窗口,较宽透明窗口可实现波长906nm至1147nm大于80%的透射。通过调节正交矩形银纳米阵列的结构参数可以实现对透明窗口的控制。本文对具有多个透明窗口的正交矩形银纳米结构进行了数值研究。设计的结构十分简单,由水平放置的银纳米天线和竖直放置的银纳米天线印刷在二氧化硅基板上组成。所提出的纳米结构中的两个透明窗口由两个亮模式间接耦合形成。正交矩形银纳米结构透射谱曲线由数值方法时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)计算得到。透射曲线里面有三个透射峰谷,峰谷处的吸收和反射高达99.9%,可用于特定波长滤波器的设计。除此之外,我们还模拟分析了该结构三个共振峰的传感性能,其中最高的折射率灵敏度为608nm/RIU,透射光谱里面的两个透明窗口也可以用作折射率传感的检测。另一方面,我们对该结构的慢光效应进行分析,推导了类电磁诱导透明线性耦合公式,引入磁导率,由磁化率公式可以得出,群速度是否发生色散由极化率实部决定,这直接导致慢光效应的发生与否,而损耗与极化率虚部相关,所以类电磁诱导透明的透射峰值会在损耗低时出现。我们通过吸收计算损耗,模拟的吸收光谱图和理论公式计算得出的结果基本一致,随后我们推导了群折射率公式,推导证明,我们可以通过相位斜率计算的如推导公式近似得出群折射率,计算得出群折射率在790.79nm处达到最大值,最大群折射率为192.3。验证了该结构在慢光效应上具有一定的应用价值。这种基于类电磁诱导透明现象的双透明窗口结构简单、体积小,有望应用于传感、双波段吸收、慢光器件等设备。最后,对全文工作进行了总结,对未来工作进行了展望,未来工作将致力于设计实现可调谐的类电磁诱导透明现象的结构。
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