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基于等离激元纳米激光器的设计与研究

2020-12-10阅读(590)

基于等离激元纳米激光器的设计与研究

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 引言
  •   1.1 前言
  •   1.2 表面等离激元与Fano共振
  •     1.2.1 表面等离激元的分类
  •     1.2.2 Fano共振的介绍
  •     1.2.3 产生Fano共振的经典结构
  •       1.2.3.1 对称性破却结构
  •       1.2.3.2 多聚体结构
  •       1.2.3.3 超材料结构
  •       1.2.3.4 其他结构
  •     1.2.4 Fano共振的应用
  •       1.2.4.1 表面增强光谱
  •       1.2.4.2 传感
  •       1.2.4.3 等离子体诱导透明
  •       1.2.4.4 等离子体纳米激光器
  •   1.3 表面等离激元受激辐射放大（Spaser）
  •     1.3.1 Spaser的介绍
  •     1.3.2 Spaser的分类
  •       1.3.2.1 纳米颗粒型等离子体纳米激光器
  •       1.3.2.2 混合模式型等离子体纳米激光器
  •       1.3.2.3 超材料型等离子体纳米激光器
  •   1.4 本论文研究内容
  • 2 数值研究方法与软件介绍
  •   2.1 有限元分析法（FEM）
  •   2.2 时域有限差分法（FDTD）
  •   2.3 COMSOL Multiphysics软件介绍
  • 3 基于Fano共振的低阈值窄带宽Spaser研究
  •   3.1 前言
  •   3.2 基于Fano共振的Spaser模型
  •   3.3 结果与讨论
  •     3.3.1 T形对和纳米天线对四聚体结构共振模式分析
  •     3.3.2 四聚体结构的Fano共振
  •     3.3.3 低阈值窄带宽的特性分析
  •     3.3.4 结构参数对Spaser波长的影响
  •   3.4 本章小结
  • 4 基于多共振结构的波长可调谐Spaser研究
  •   4.1 前言
  •   4.2 基于多共振四聚体结构的Spaser模型
  •   4.3 结果与讨论
  •     4.3.1 纳米结构共振模式分析
  •     4.3.2 最佳增益系数k的确定
  •     4.3.3 基于多共振特性纳米结构的Spaser波长可调谐性分析
  •     4.3.4 四聚体基Spaser的特征参数的研究
  •     4.3.5 四聚体纳米结构中结构参数对Spaser波长的影响
  •   4.4 本章小结
  • 5 本论文总结与展望
  •   5.1 研究成果总结
  •   5.2 未来工作展望
  • 参考文献
  • 个人简历与攻读硕士学位期间研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 袁栋栋

    导师: 王俊俏

    关键词: 表面等离激元,表面等离激元受激辐射放大,共振

    来源: 郑州大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 郑州大学

    分类号: TN248

    总页数: 58

    文件大小: 3965K

    下载量: 233

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