双层互补强耦合金属光栅的表面等离激元光学新特性的研究和在拉曼增强方面的应用研究

本项目在方法上创新地解决了强耦合结构构建的难点，在理论模拟数值计算的指导下在可见光和近红外波段范围开展强耦合亚波长金属结构表面等离激元共振的设计，充分利用在微纳加工等方面的技术积累，拟重点建立双层强耦合互补亚波长金属光栅结构。一方面研究该结构与局域电磁场增强相关的光学特性，如表面光电场增强，电磁场能量的传播与汇聚，超透射，超吸收，电偶极子和磁偶极子共振对电磁场空间分布的影响，结构相位因子对局域电磁场的影响等；另一方面发挥强耦合结构在一定空间上有利于实现局域电场增强的结构优势，研究双层强耦合互补亚波长金属光栅结构在拉曼散射增强的应用，尤其是通过拉曼散射增强探索其在微量分析及单分子探测的应用。这是一个"新纳米器件的构建→新现象的探索→新的应用"的富有挑战但切实可行的创新过程，前期理论计算模拟和初步实验结果已证实了具体研究方案的可行性。

等离激元学中强关联结构体系会对电磁波有奇特的响应，双层互补亚波长金属光栅结构是一个强耦合强关联的结构，我们从双层互补结构出发开展了系列相关研究。首先我们研究了几种双层互补结构（简单互补光栅结构，二维互补方孔结构，二维互补同心圆结构），并应用到拉曼增强上。重要的是研究过程中发现双层互补结构的磁共振较弱，我们对互补结构做了一定的变形，做了系列工作。已发表的工作主要体现在以下几个方面（1）通过磁振子与天线的耦合，研究了磁振子在场增强和能量汇聚的作用，为局域等离激元信号的汇聚和传输的方式提供了一个有效的方法。（2）具体研究了磁振子的驻波和LC 电路的双面性，尤其是电感和电容分量与驻波的相关性，为磁振子结构与其它结构的耦合设计提供了依据。（3）通过研究局域磁场的增强研究了磁振子的直接相互作用，给出了磁振子间强相互作用的证据，并得出磁振子具有超长相互作用的特点，该工作是关于磁振子的最基础的工作，我们的创新之处在于选择了新的敏感物理参数，得到了比以往更明显、更有说服力的证据。（4）研究了磁振子的相干条件，磁振子系统是个强关联的系统，我们定义了新的物理参量——关联位相，该关联位相具有各向异性，同样磁振子的相干也具有各向异性，这对实现电磁场的强局域纳米聚焦、等离激元局域信号的可控传输和异常反射或透射的实现都有指导意义。（5）通过一个链式孔型结构（中间由金属条相隔）实现了长距离的超透射，而且透射率随链长的增加仍然维持较高的值，从电流和电荷的分布的进一步理论分析显示该超透射是与磁杂化密切相关。这为长距离的等离激元能量传输和新型等离激元波导的研制提供了一个探索方向。（6）利用磁振子与多圆环结构的组合，在纳米尺度形成强电场的汇聚或聚焦，模拟计算在10 纳米尺度上实现了电场1000 倍的增强。该结果是我们知道的在10纳米尺度下实现电场增强的最好结果。另外还有系列正在整理即将发表的研究：（1）通过复杂结构的设计，模拟实现了电磁波电场3000倍的增强和磁场大于120倍的增强，该结果有多重潜在的实际应用。（2）通过磁振子的高阶共振实现了50纳米厚金属膜的80%透过率，为电磁能的传输提供了理论指导。（3）模拟实现了宽频高吸收的金属结构，为太阳能等的应用提供了结构设计。在该项目的研究过程中衍生出新的研究方向，申请并获得新的自然科学基金面上项目（批准号：61575006）的资助。