光学塔姆态与银膜表面等离激元混合模式作用下染料分子的超快动力学研究

It has profound physical significance on controlling and selecting the energy transfer relaxation pathway of excited molecule system. The methods of influencing ultrafast dynamics processes of dye molecule, include inserting interface around molecule, applying the interaction of localized filed from surface plasmon polariton, or building the microcavity to change the photon state density around the molecule. Recently, the hybird mode was proposed to enrich the distribution variation of local electric filed mode, which can produce more interesting relaxation phenomena for the coupling emitters.In this proposal, we applied ZnS and MgF2 to build one dimensional photonic crystal, and use it to combine with the periodic silver fim structure for forming the hybird mode between optical time state and silver surface plasmon polariton. This hybrid mode can realise the modification of photon state density on silver surface. Basing on the hybrid mode interaction, we will research on the influence mechamism of steady state absorbtion and fluorescence spectrum of the dye moelcule. And, we apply the time resolved pump probe reflection spectrum, transient aborption and time resolved fluorescence upconversion measurements, to study the energy transfer ultrafast dynamics process of dye molecule, including excitation rate, hybrid model coupling emission rate and direction, nonradiative relaxation pathway. We hope we can select the different pump and probe conditions to control the pathway of energy relaxation for different mode coupling molecule.

对激发态分子体系能够控制或选择其能量转移弛豫路径具有重要的物理意义。对激发态分子能量弛豫的影响方式，包括在分子周围插入界面、利用表面等离激元局域场作用、或构造微腔改变分子周围光子态密度。近来提出的混合模式对局域场的模式分布有更丰富的变化，与其耦合的发射体则可产生更有趣的弛豫过程。本项目，采用硫化锌与氟化镁构造的一维光子晶体，和具有周期微结构的银膜，结合成复合结构；通过复合结构形成的光学塔姆态与银膜表面等离激元的混合模式，来调整银膜表面的光子态密度分布。在此混合模式作用下，对染料分子的稳态吸收谱以及发射谱的影响机制进行研究；并利用飞秒泵浦探测反射谱、瞬态吸收谱以及时间分辨荧光上转换的测量手段，研究染料分子体系的激发速率、混合模式下耦合辐射速率和方向、无辐射弛豫路径等能量转移的超快动力学过程。期望通过选择不同的激发以及探测条件，控制不同模式下耦合分子的能量沿着我们所要求的路径转移弛豫。

本项目以两个研究方向进行深入的展开，首先对二维磁性材料三溴化铬的荧光光谱做了详细的分析和研究，发现了其所具备的自调制光致发光荧光光谱的特性；其次对二维拓扑谷光子晶体做了仔细的讨论，尤其是利用拓扑保护的谷边缘态来实现手性光场信号的传输行为。本项目的主要研究内容和结果如下所示：.1. 二维磁性材料三溴化铬在450K温度以上具有C2h点群对称性，在450K温度以下具有C3i点群对称性。三溴化铬在可见光范围具有四个吸收带，3.67ev和3.0ev吸收带对应着配位离子Br的4p轨道到金属离子Cr的3d轨道的电荷转移跃迁。2.17ev和1.67ev吸收能带对应了Cr离子d3轨道的劈裂能级激发态4T1和4T2与基态4A2之间的电子跃迁。.2. 三溴化铬光致发光谱中心波长在1.35ev附近，与最低的吸收带1.67ev相比有一个约320mev斯托克斯位移，揭示了强的电子与晶格振动的耦合。不同厚度下的三溴化铬材料所辐射的荧光光谱中，叠加了不同振荡频率的谐振峰，经利用转移矩阵的方法对所叠加的振荡峰进行拟合，得到在1.35ev荧光波段三溴化铬的折射率为1.6185。.3. 拓扑谷边缘态可以沿着zigzag方向和armchair方向实现拓扑保护无背散射的手性光场传输。利用zigzag方向谷边缘态实现0°，60°以及120°转角的手性光场传输，利用armchair方向也可实现0°转角的手性光场传输。.4. 通过连接zigzag与armchair边界，可实现90°转角的手性光场信号传输。利用zigzag与armchair边界的交叉，可实现对所传输手性光场信号强度均分的分束功能。