各向异性电介质与金属微纳结构共振耦合光学特性研究

The mode coupling of surface plasmon polaritons (SPP) in micro/nano metallic structure represents a feasible and practical approach for manipulating the photons at the nanometer scale. Based on the coupling effect, it can not only be used to facilitate the spectral tunability and tailor the optical response of the structure, but also offer many exotic optical phenomenons.First, this works will analyze the characteristics of local surface plasmons of metal structure surrounded by anisotropic dielectric, then study systematically the optical properties of the micro/nano metallic structure coupled with anisotropic dielectric waveguide.We will illustrate the coupling behavior between the waveguide mode guided in anisotropic dielectric and the local electromagnetic mode localized in different micro/nano metallic structure array (including the different shape and arrangement of metal structure), the dispersion behavior and the near field distribution of the coupled modes. We will explore the physical mechanism to form the interference phenomena among the coupled modes excited by external excitation and the modulation behavior to the output light due to the interference. Furthermore, we will make clear the function relation of the interference mechanism to the polarization of incident beam and the dielectric tensor of the anisotropic dielectric. The results of this works will provide the important reference in the designing the novel photonic and electric device and the manipulation of optical filed at the micro-nanometer scale.

金属微纳结构中表面等离激元模式间的耦合效应提供了一种在纳米尺度上操控光子的有效方法，利用模式耦合效应不仅可以裁减结构的光学性质，增加结构光谱响应的可调谐性，而且可以产生许多奇异的光学现象。本项目以分析各向异性电介质中局域表面等离激元的性质为基础，系统研究各向异性电介质波导与金属微纳结构阵列共振耦合的光学特性；阐述不同金属微纳结构阵列（包括不同的结构形状和结构排列）中局域电磁模式与各向异性波导模式间的耦合行为以及耦合模式的色散特性和近场能量局域特性；探明在外场激励下耦合模式间的相互干涉机制及其对出射光的调制特性；明确干涉机制与入射光偏振，各向异性电介质光轴取向的变化关系。该项目的研究将为新型光电子器件的设计以及微纳尺度光场的主动调控提供重要的参考价值。

金属微纳结构中表面等离激元模式间的耦合效应提供了一种在纳米尺度上操控光子的有效方法，利用模式间耦合效应不仅可以裁减结构的光学性质，增加结构光谱响应的可调谐性，而且可以产生许多奇异的光学现象。本项目工作的中心是研究金属微纳结构中表面等离激元模式与各向异性电介质波导模式间的耦合特性以及相关调控机理，本项目的研究结果在新型光电子器件的设计以及微纳尺度光场的调控中有着潜在的应用。. 本项目的主要研究内容和成果如下：. 1.研究了在平面型金属-各向异性电介质复合结构中，表面等离激元模式与电介质TE模式间的耦合行为。通过光轴的不同取向，电介质波导的TE模式能与表面等离激元模式和高局域的间隙等离激元模式发生耦合，在传播常数上形成免交叉的现象。通过与电介质模式的耦合效应，不仅可以减小表面等离激元模式的传输损耗，而且提供一种激发高局域模式的手段。. 2. 研究了各向异性介电环境下，金属纳米线结构中表面等离激元模式的模式特征。与各向同性介电环境中的情况不同，在各向异性介电环境中，表面等离激元模式表现出杂化特性，杂化的基模不再是径向偏振特征。在强各向异性介电环境中，紧邻阶的表面等离激元模式表现出简并行为。.3.研究了非中心对称结构中局域和传播表面等离激元模式间的耦合行为。由于结构的非中心对称性，表面等离激元模式表现出杂化行为。这些杂化的表面等离激元模式将与纳米粒子中不同阶次的局域等离激元模式发生相互作用。传播和局域的等离激元模式间的强耦合作用导致了模式分裂和能量的免交叉行为。此外，在两个免交叉的吸收带之间还可以观察到一个窄的吸收带，这个现象在中心对称结构中是没有的。.4. 研究了金属纳米圆柱阵列结构与各向异性电介质波导模式间的耦合行为。不同于各向同性电介质情况，表面等离激元模式除了与TM（1，0）模式和TE（0，1）模式发生耦合以外，还能与TE（1，0）模式发生耦合形成透明窗口。通过改变光轴的取向，可以实现对该透明窗口的位置和峰值幅度进行调控。