全内反射结构中的法诺共振现象及传感应用研究

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法诺共振自从被发现其具有不对称的共振谱线以来,成为新型共振效应的研究热点。法诺共振来源于结构中所支持的处于连续态的超辐射亮模式和处于分立态的亚辐射暗模式之间的耦合干涉。由于法诺共振具有极窄的共振峰谷间距、强大的近场增强能力、超高的灵敏度和品质因数等优点,其对生物传感、表面增强拉曼散射、非线性光学等多方面领域有着极大的潜在应用价值。本文围绕利用全内反射原理在微结构中实现具有超高品质因子的法诺共振或多重法诺共振这一问题,设计了两种简单、可灵活操控的光学结构,数值计算了相对应的光学响应谱图,并分析了结构中产生法诺共振的物理机理。系统研究了微结构的几何参数、以及入射光波长对结构光学响应的调制作用。本论文的主要研究内容如下:1.设计了一个二维材料耦合光波导的全内反射结构:使用棱镜全内反射效应激发出结构中的两个波导模,通过引入二硫化钼和石墨烯这两种二维材料,使得两个导模分别呈现出一宽一窄的共振,从而耦合后可以实现谱线精细且不对称的法诺共振的激发。通过数值计算来解释并证明法诺共振的形成。此外,通过改变结构参数还实现了对法诺共振的调制作用。我们还分析了结构在传感应用方面最重要的两个参数灵敏度和品质因子,分别得到含二硫化钼和含石墨烯结构的超高的品质因子为9630RIU-1,8264RIU-1。该结构是一种通过利用二维材料实现同种电磁模式之间的耦合而获得超高品质因子法诺共振的全新结构。2.设计了一个1D-Ph Cs耦合等离激元系统的全内反射结构:此部分是通过等离激元体系结合周期性全介质波导,激发出了多重法诺共振。该结构中通过使用基于半导体的表面等离子体材料,使得多重法诺共振可以在近红外波段得到激发。我们计算了每一个共振角下结构中的电磁场分布,来证明和分析结构能够产生多个法诺共振的原因。此外我们通过改变结构参数来实现同时对多重法诺共振的动态调谐。最后还将该结构拓展到整个近红外宽波段,在宽角度范围内实现了结构在近红外波段任意波长下多重法诺共振的激发。该结构采用了非传统等离子体材料(ITO)实现了近红外波段多重法诺共振的激发。
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