全介质微纳结构中Fano共振现象及其应用研究

论文摘要

Fano共振是一种特殊的物理现象,最早发现于原子物理,它由离散态与连续态耦合形成,其共振谱线呈非对称分布。近些年,人们发现Fano共振也广泛存在于微纳光子器件中,由于尖锐的谱特征和显著的近场增强,Fano共振在光开关、光传感、纳米激光、非线性光学和慢光等领域有巨大的应用前景。早期微纳器件中的Fano共振通常在金属结构中实现,由于金、银等金属材料不可忽略的热损耗且与成熟的CMOS工艺不兼容,限制了它在微纳光子学中的应用。最近,人们发现高折射率的锗、硅和砷化镓等全介质微纳器件可以解决金属结构存在的问题,从而为高性能、小型化和高集成度光子器件的实现提供新的道路。基于此,本文在理论和实验上研究了全介质微纳结构中高品质因子(Q)Fano共振的特性,同时也探索了Fano共振的可调性和它在非线性中的应用。主要研究成果如下:(1)在全介质超表面中实现了高Q值的Fano共振,并利用它增强了硅三次谐波(THG)的转换。首先,对高对称性纳米圆柱引入对称性破缺,激发了对称保护型连续域的束缚态(BIC)模式,在实验上获得了高Q值(~1000)的Fano共振。其主要原因是所设计的微纳器件具有较大的工艺容差。通过对共振模式的近场分布和多极子的远场辐射贡献进行分析,证实了此Fano共振属于磁偶极子共振。同时,我们应用这一共振腔器件在非线性领域展开应用,与相同厚度硅薄膜的THG强度相比,支持Fano共振的超表面的THG信号增强了约600倍,其主要原因是高Q值Fano共振带来了极大的局域场增强。(2)理论和实验研究了Fano共振的可调性。首先探索了光子晶体平板结构参数对Fano共振峰位和强度的影响,随后在器件表面转移石墨烯,研究了不同层数石墨烯对Fano共振的调控,随着石墨烯层数的增加,吸收增强,石墨烯对Fano共振的调控增强。在三层石墨烯情况下,Fano共振的透过率调制深度在理论和实验上分别达到了60%和44%。另外,我们也理论研究了不同费米能级的石墨烯对Fano共振的调控,石墨烯的泡利阻塞原理使得不同费米能级石墨烯的光吸收差异较大,因此能对Fano共振进行显著调控。在费米能级为零时,Fano共振的透过率调制深度达到了40%。(3)理论和实验研究了硅光子晶体平板中环形偶极子(Toroidal dipole)的Fano共振。首先通过打破结构的对称性,激发了器件的非简并模式,从而在近红外波段实现了多个尖锐的Fano共振。随后,通过多极子分解理论计算分析了多极子极矩的大小和它们的远场辐射,同时也模拟讨论了共振模式的近场分布,证明了光子晶体平板器件存在丰富的环形偶极子共振。其实验结果与理论符合较好。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 微纳结构中的Fano共振特性与研究现状

1.3 基本电磁源和它们的辐射特性

1.4 本文的研究内容及章节安排

2 数值计算方法、微纳制造和线性透射谱测试

2.1 数值计算方法

2.2 微纳制造简介

2.3 线性透射谱测试系统

2.4 小结

3 全介质超表面中的Fano共振增强光学三倍频

3.1 光学非线性基本原理

3.2 光学三倍频的物理过程

3.3 微纳结构中三倍频的研究现状

3.4 高Q值 Fano共振的非对称硅超表面增强THG

3.5 本章小结

4 石墨烯对Fano共振的调控

4.1 石墨烯的光电特性

4.2 石墨烯对微纳共振腔的调控研究现状

4.3 石墨烯对光子晶体平板中Fano共振的调控

4.4 本章小结

5 非对称光子晶体平板中的环形偶极子Fano共振

5.1 环形偶极子共振的激发与研究现状

5.2 非对称光子晶体平板的多个环形偶极子Fano共振特性研究

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 论文中缩略词的含义

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周朝彪

导师: 詹明生,汪毅

关键词: 共振,全介质微纳结构,石墨烯,三倍频,环形偶极子

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,物理学,化学

单位: 华中科技大学

分类号: O321;O734

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000206

总页数: 128

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