亚波长金属孔结构中表面等离激元定向激发研究

金属微纳孔人工结构中表面等离激元（下简称SPPs）行为调控研究对推动SPPs光子学发展及SPPs应用具有重要意义。本项目拟采用时域有限差分、模态展开等方法，对亚波长金属孔结构SPPs定向激发展开深入研究。主要工作包括：（1）研究金属孔电磁场分布特点以及电磁能量耦合与转换过程，揭示SPPs激发过程中电磁能量转换机制。（2）研究孔结构参数和填充介质对SPPs激发相位的影响，以及孔几何对称性、光入射方式对近场分布的影响，探索利用SPPs模间的相互作用、SPPs激发的非对称性实现对SPPs激发方向的控制。（3）研究SPPs模在金属孔与光栅等金属表面结构之间的转换与传输行为，试图在由金属孔与金属表面结构组成的复合金属结构中实现SPPs定向激发。本研究项目将提出二维平面内SPPs激发方向的调控原理与方法，有助于丰富和完善SPPs激发理论体系，为今后研发基于SPPs定向激发的光子器件提供科学依据。

金属微纳孔人工结构表面等离激元（下简称SPPs）行为调控研究是纳米光子学、SPPs光子学领域前沿研究课题。本项目利用标量衍射理论等电磁理论知识以及时域有限差分、模态展开等方法，针对亚波长金属孔缝结构SPPs定向激发展开了深入而系统的研究，主要工作包括：（1）研究金属孔缝结构表面SPPs激发过程电磁能量转换机制与SPPs激发效率的调控。（2）研究金属孔缝结构SPPs模间的电磁相互作用以及SPPs非对称激发行为规律。（3）研究SPPs模在金属孔与介质光栅等表面结构之间的转换规律，利用复合金属微结构实现SPPs定向操控。主要成果包括：（1）通过分析光与SPPs模转换过程中的近远场、表面电荷及能流分布特征，揭示了SPPs波矢匹配程度与SPPs激发效率之间的关联程度。探讨了对称破缺金属环形孔SPPs响应特征，发现对称破缺能激发高阶SPPs响应模。提出了三种调控金属孔缝结构SPPs激发效率的方法途径（即，孔缝填充介质，改变孔缝通道形状，以及借助金属微腔结构）。（2）获得了如何操控金属孔SPPs模传输方向的原理与方法。一是利用SPPs模干涉现象在金属双孔结构和金属狭缝-挡板结构中实现SPPs定向传输。构建双孔阵列结构可使SPPs定向激发效果更显著。对于金属狭缝-挡板结构，在入口构建微腔、出口表面覆盖介质可进一步提高SPPs传输功效。二是基于SPPs非对称激发规律，在部分填充介质的金属狭缝结构中实现SPPs定向激发。由于狭缝两侧SPPs激发效率存在很大差异且随填充介质宽度周期变化，SPPs激发方向能得以切换。三是构建金属狭缝-Bragg反射器-石墨烯复合结构，利用石墨烯费米能级栅压可控性，以及费米能级对Bragg反射器带隙中心频率与宽度的影响，可在太赫兹波段内主动操控SPPs传输方向。（3）获得了影响双层石墨烯条带与孔阵列结构以及墨烯环形孔阵列结构电磁耦合方式与强度的因素，剖析了石墨烯SPPs杂化现象，揭示了石墨烯SPPs响应机理。上述研究成果，有助于丰富和完善SPPs激发理论体系，为今后研发基于SPPs定向激发的光子器件提供了理论基础和科学依据，对推动SPPs在纳米集成光子学等领域的应用将起到重要的作用。