本文關(guān)鍵詞：周期性磁等離激元納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性研究　出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：同時具有磁光特性和等離激元特性的磁等離激元納米結(jié)構(gòu)已成為近幾年研究的熱門課題。由于磁等離激元納米結(jié)構(gòu)充分地有效結(jié)合了表面等離激元和磁性兩種特性,使光波在具有表面等離激元共振現(xiàn)象的納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部誘導(dǎo)的電磁場顯著增強(qiáng),從而大大增強(qiáng)了磁光效應(yīng)。同時,該結(jié)構(gòu)可以通過外加磁場來對等離激元共振進(jìn)行有效控制。因此,磁等離激元納米結(jié)構(gòu)的研究促進(jìn)了許多新型器件的快速發(fā)展,例如,生物、化學(xué)傳感器,磁光數(shù)據(jù)存儲,光學(xué)隔離器、調(diào)節(jié)器,以及通訊行業(yè)中的集成光子器件等等。盡管人們在磁等離激元納米結(jié)構(gòu)中為了同時獲得優(yōu)良的磁光特性和光學(xué)特性方面做過大量的研究,然而,如何設(shè)計同時具有良好表面等離激元和磁光特性,并且可以進(jìn)行有效調(diào)控的磁等離激元系統(tǒng),仍然是一個充滿挑戰(zhàn)的課題。本論文中,我們首先成功發(fā)展了時域有限差分方法,使其能夠解決包含有磁性材料納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光效應(yīng)問題。合理構(gòu)建了一維、二維周期性磁等離激元晶體結(jié)構(gòu),利用擴(kuò)展時域有限差分方法系統(tǒng)研究了所構(gòu)建的磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性。通過系統(tǒng)優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),我們在可見光和近紅外波段均同時得到了較高的透射率和較大的磁光法拉第旋轉(zhuǎn)角,同時對其物理機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)地詮釋。為了驗證理論研究的正確性和可靠性,我們在實驗方面利用激光干涉光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)制備了磁等離激元納米結(jié)構(gòu),研究了不同體系的光學(xué)和磁光特性,探討了表面等離激元與磁光效應(yīng)增強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系。本文的具體研究工作主要包括以下三個方面:1.構(gòu)建了一種由雙層貴金屬光柵和磁性透明介質(zhì)組成的磁等離激元晶體結(jié)構(gòu),利用擴(kuò)展時域有限差分方法對其光學(xué)特性和磁光特性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。通過系統(tǒng)優(yōu)化雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),我們在兩個波段處均得到法拉第旋轉(zhuǎn)角共振增強(qiáng),并且其符號產(chǎn)生了反轉(zhuǎn),在另外一個透射率頻譜區(qū)域得到了 57%的異常光透射的同時獲得了 44倍增強(qiáng)的法拉第旋轉(zhuǎn)角。文中詳細(xì)討論了入射角、結(jié)構(gòu)中雙金屬光柵之間臺柱介質(zhì)的折射率以及結(jié)構(gòu)周期對磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性的影響。研究表明,我們可以通過簡單調(diào)整雙金屬光柵構(gòu)成的磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),諸如,折射率、周期等,以及入射角度大小來調(diào)控該結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性。另外,我們還研究了單層貴金屬光柵與磁性介質(zhì)構(gòu)成的磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性,并與雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性進(jìn)行了比較。通過兩者的對比,我們發(fā)現(xiàn)雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性和磁光特性均優(yōu)于單層金屬光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性。此外,我們對透射率譜中共振波峰、波谷和法拉第旋轉(zhuǎn)角增強(qiáng)、符號發(fā)生反轉(zhuǎn)以及雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性優(yōu)于單層金屬光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性的物理機(jī)制進(jìn)行了深入地討論、解釋。研究表明,透射共振波峰和波谷的出現(xiàn)主要依賴于表面等離激元共振和波導(dǎo)模式的激發(fā)及兩者的相互耦合;法拉第旋轉(zhuǎn)角的增大是由磁性介質(zhì)中兩類波導(dǎo)模式—TM模式和TE模式相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化效率及光波在磁性介質(zhì)層中傳播的有效距離所決定的。2.研究了二維周期性由被蘑菇狀金屬帽子遮擋的圓孔和環(huán)孔系列構(gòu)成的磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的異常光透射和增強(qiáng)的法拉第磁光效應(yīng)現(xiàn)象。通過系統(tǒng)優(yōu)化磁等離激元晶體結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),我們在兩種不同晶體結(jié)構(gòu)中的透射率譜和法拉第磁光效應(yīng)譜的可見光和近紅外波段均同時得到了較大的法拉第旋轉(zhuǎn)角和較高的透射率。同時,我們對透射率譜中的共振波峰和磁光效應(yīng)譜中法拉第旋轉(zhuǎn)角增強(qiáng)等產(chǎn)生的物理機(jī)理借助于透射共振位置處的電場、磁場的空間分布等手段進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。研究結(jié)果表明,透射共振波峰的出現(xiàn)主要取決于LSPR模式、SPP模式和波導(dǎo)模式的激發(fā)及它們之間的相互耦合作用;法拉第旋轉(zhuǎn)角的增大是由磁性介質(zhì)中兩類波導(dǎo)模式—TM模式和TE模式相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化效率及光波在磁性介質(zhì)層中傳播的有效距離所決定的。3.從實驗方面研究了一維周期性磁等離激元納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光橫克爾特性。首先從理論上詳細(xì)闡述了磁光橫克爾效應(yīng)產(chǎn)生以及表面等離極化激元對其顯著增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)理。然后,利用激光干涉技術(shù)制備了光刻樣品以及磁控濺射技術(shù)制備了多層金屬/氧化物介質(zhì)薄膜樣品,從實驗上研究了樣品在不同情況下的反射率和磁光橫克爾值隨入射角變化關(guān)系,詳細(xì)討論了非磁性氧化物介質(zhì)層的引入對磁等離激元納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)和磁光特性的影響,并從理論上給予了合理的解釋。同時,本部分的實驗結(jié)果驗證了前面理論的正確性和可靠性。
[Abstract]:At the same time with the optical and magnetic properties and magnetic properties of plasmonic plasmonic nanostructures has become a hot topic of research in recent years. Due to the magnetic plasmonic nanostructures fully combines surface plasmon and magnetic properties of two kinds of electromagnetic field, the light wave induced within nano structures with surface etc. plasmon resonance phenomenon increased significantly, thereby greatly enhancing the magneto-optical effect. At the same time, the structure can be obtained by applying an external magnetic field on the plasmonic resonances were effectively controlled. Therefore, the study of magnetic polaritons nano structure and promote the rapid development of many new devices, such as biological, chemical sensors. Magneto optical data storage, optical isolator, regulator, and communications industry in integrated photonic devices and so on. Although people in the magnetic plasmon nano structure in order to obtain magneto-optical properties and excellent optical properties do A large number of researches, however, how to design a good surface plasmon and magneto optical properties, and can effectively control the magnetic plasmon system is still a challenging task. In this thesis, we first developed a finite difference time domain method, which can solve contains optical and magneto-optical effect magnetic nanostructured materials. The reasonable construction of one-dimensional, two-dimensional periodic magnetic plasmon crystal structure, using the extended finite difference time domain of the magnetic plasmon crystal structure optical and magneto-optical properties of system. Through the geometric parameter optimization of crystal the structure, we in the visible and near infrared bands were also obtained higher transmittance and larger magneto optical Faraday rotation angle, and the physical mechanism of a detailed interpretation. In order to verify the correctness of theoretical research And reliability, we use the laser in the experiment of magnetic plasmonic nanostructures prepared by interferometric lithography and magnetron sputtering technology, the optical and magneto-optical properties of different systems, this paper discusses the intrinsic relations between surface plasmon and magneto-optical effect enhancement. The main research work in this paper includes the following three 1.: construction which is composed of double noble metal grating and transparent magnetic medium magnetic plasmon crystal structure, using the extended FDTD method is studied on its optical properties and magneto optical properties. Through the system to optimize the structure parameters of double-layer metallic grating structure, we in two the wavelength can be enhanced Faraday rotation resonance, and produced a reversal of its symbol, in another area of transmission spectrum to get 57% abnormal light transmission and gain enhancement of 44 times Fala The rotation angle is discussed in detail. The incident angle, a medium between the double effect of metal grating in refractive index and periodic structure optical and magneto-optical properties of magnetic crystal structure from the. Research shows that we can form through the simple adjustment of double metal grating from the magnetic parameters, excitation the crystal structure such as refractive index, cycle regulation, optical and magneto-optical properties of the structure and size of the incident angle. In addition, we also studied a single layer of precious metal grating and magnetic media such as magnetic optical and magneto-optical properties from the crystal structure, and compared with the optical and magneto-optical properties double layer metal grating structure. Through the comparison, we found that the double metal grating and optical properties of optical and magnetic properties are better than that of single metal grating structure, optical and magneto-optical properties. In addition, we on the transmission rate In the spectrum of resonance peaks and troughs and the Faraday rotation angle increases, the physical mechanism of symbol reversed and double metal grating optical and magneto-optical properties are better than that of single metal grating and optical and magneto-optical properties were deeply discussed and explained. Research shows that the coupling between the transmission resonance peaks and troughs occur mainly depends on the excitation and both in surface plasmon resonance and waveguide mode; increase the Faraday rotation angle is determined by the effective distance of two kinds of magnetic medium waveguide mode conversion efficiency and light transformation between TM mode and TE mode in the magnetic medium layer spread by.2. were studied by two-dimensional periodic metal mushroom hat blocked hole and ring hole series constitute the magnetic plasmon crystal structure of abnormal light transmission and enhancement of the Faraday magneto-optical effect phenomenon. By optimizing the system of magnetic plasmon The geometric parameters of element of crystal structure, we in the two different crystal structure in the transmittance spectrum and Faraday magneto-optical effect spectrum of visible light and near infrared transmittance were obtained at the same time large Faraday rotation angle and higher. At the same time, we have to peak in the spectrum of resonance wave transmittance spectra and magnetic optical effect of Faraday rotation corner enhancement electric field generated by the physical mechanism of the transmission resonance position, the spatial distribution of magnetic field and other means are discussed in detail. The results show that the transmission resonance peak appears mainly depends on the interaction between the LSPR mode, SPP mode and waveguide mode excitation and the Faraday rotation angle is increased; determined by the effective distance of two magnetic medium waveguide mode conversion efficiency and light transformation between TM mode and TE mode in the magnetic medium layer spread the.3. from the experiment The research of one-dimensional periodic magnetic plasmon optical and magneto-optical properties of transverse Kerr polaritons nano structure. Firstly, theoretically elaborated and surface magneto optic Kerr effect of transverse plasmon polarization on the enhanced mechanism. Then, lithography samples and magnetron sputtering technology of multilayer metal / oxide dielectric thin film samples were prepared by using laser interferometry system, from the experiment of the samples under different conditions of reflectivity and magneto optical cross Kerr values change with the incident angle, the introduction of non magnetic oxide dielectric layer of optical and magneto-optical properties of magnetic polaritons nano structure is discussed in detail, and from the theory of giving reasonable explanation. At the same time, this part of the experiment results verify the correctness and reliability of the previous theory.

【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1

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