异质微纳超材料结构的优化设计及Fano共振和等离子诱导透明特性的机理研究

Surface plasmon sub-wavelength optics has penetrated into many fields. Nowadays, metamaterials has been an interesting research area due to their unusual electromagnetic properties, not only for the rich physical mechanisms, what's more for their potential applications in optics and optoelectronics. This project demonstrates metamaterial structures based on hetero- micro/nanomaterials and its Fano resonance, plasmon induced transparency (PIT) and other related phenomena will be studied theoretically and experimentally. We will design quality tunable hetero- micro/nanometamaterial structures by using the finite difference time domain (FDTD) and experimental methods, analyse the modulation of structural parameters on the Fano resonance, PIT and related phenomena, discuss the effect of symmetric coupled and symmetry breaking on the characteristics of PIT, and explore the formation and evolution mechanisms of the Fano resonance and PIT. Our purpose is to reveal the physical mechanism behind the phenomena. .The main contents of this project are listed as follows: The study of Fano resonance and PIT 1) in finite length coaxial or non-coaxial nanotubes and their composite structures; 2) in the heterostructure split rings and their composite structures; 3) in new metal / dielectric micro-nano composite heterostructures..The significance of our study is to select appropriate micro-nano metamaterial structures by optimal design, and explore its potential applications in the fields of switching, slow light and sensing applications. We expect that our findings will lead to significant advances and new opportunities in the design and optimization of optoelectronic materials and devices.

表面等离子亚波长光学的研究已渗透到诸多领域，超材料就是目前一个新奇和热门的研究领域，不仅是其背后丰富的物理机理，更重要的是在光学和光电子学领域蕴藏着巨大应用价值。本研究针对异质金属微纳超材料结构中出现的Fano共振和等离子诱导透明及相关特性展开理论与实验研究。基于FDTD数值模拟与实验方法对异质微纳超材料结构进行优化设计，分析结构参数对Fano共振、等离子诱导透明及相关特性的调制作用，以及异质超材料结构在对称耦合或对称性破缺条件下对等离子诱导透明特性的影响，探讨Fano共振和等离子诱导透明的形成与变化机制，揭示其内在的物理规律。重点围绕：1) 有限长度共轴或非共轴纳米管及其组合结构；2) 异质分裂环及其组合结构；3) 新型金属/介质微纳异质组合结构。本研究的科学意义在于通过对异质微纳超材料结构的优化设计，探讨在光开关、慢光及传感器领域中的应用，为设计微纳光电子材料与器件提供指导。

本项目针对异质金属微纳超材料结构中出现的Fano共振和等离子诱导透明（PIT）及其相关现象展开理论与实验研究。研究了微纳超材料结构中表面等离子的元激发及其耦合的特性，揭示了表面等离子激元的场耦合、局域增强与传播等物理过程对微纳超材料结构体系的结构参数、不同介质特性依赖关系的一般规律，基于时域有限差分（FDTD）方法建立了这些结构的数值计算模型，升级了并行计算模块库；建立了一个能解决同时存在直接耦合与间接耦合的统一理论模型，很好解释了在双槽谐振腔耦合的金属-介质-金属（MDM）波导体系中出现的类电磁诱导透明(EIT)现象，并预言其中有慢光存在；提出了一个新颖的关于辐射场和传输矩阵模型相结合的理论，阐述了明暗模式等离子体波导结构中的诱导透明现象。基于耦合模理论首次推导出了纳米腔耦合MDM波导中传感性能的解析表达式，发现慢光传感范围和相应灵敏度之间存在一个此消彼长的tradeoff 现象，并通过调节超辐射模式的品质因子和不对称因子，该矛盾问题得到了有效地克服。提出了一个用于分析具有多模谐振腔等离子体槽型波导的传感性能的扩展耦合模理论，发现其多模谐振腔结构可以实现品质因子（FOM）高达59010同时灵敏度也可以达到75.7的器件，和最近的报道相比，该结构制作更简单、结构更紧凑。通过数值模拟与理论计算，设计了许多超材料结构，实现可调的微纳超材料结构的制备，完成对所制备的微纳超材料结构的特性进行测试。在实验中发现即使是银纳米结构材料也极易氧化，我们采用了多种解决方案。如用无机氧化物ZnO等做保护层，克服器件稳定性变差的问题。以上工作可为微纳结构器件的实际应用提供指导。