耦合超构材料中磁等离极化激元与传感特性的研究

超构材料(metamaterial)是近年来发展起来的人工微结构材料，其特有的光学性质吸引了越来越多的研究者。而耦合超构材料中有更加丰富的光学效应。在本项目中，我们研究耦合超构材料中磁等离极化激元(magnetic plasmon polariton: MPP)的耦合、杂化及对光波的偏振态调制效应，并将光波偏振态调制信号作为传感信号，研究耦合超构材料的传感特性。在实验上利用聚焦离子束技术制备出此类微结构材料，研究这种材料在光波波段耦合MPP共振所引起的对光波偏振态的调制作用对其传感效应(折射率微小变化)的改善和提高，为以后发展新型纳米传感器件提供理论和应用基础。

超构材料定义为人造的、三维的、具有周期性构造的复合材料。人们通过设计微结构调制超构材料中的元激发，实现自然介质无法获得的现象，如负折射、完美透镜、隐身效应等。在早期的超构介质研究中，组成超构材料的单元之间不考虑耦合效应，超构材料的整体性质可以用有效介质理论来考察。当体系结构的尺寸变小，单元之间的间距变小，单元之间的耦合作用就很重要，不能被忽略。考虑耦合效应之后，将会出现非耦合超构介质中没有的奇异现象和应用，需要引入固体物理的理论模型来描述其物理效应。. 本项目研究耦合超构材料中磁等离极化激元与传感特性。由于耦合作用的存在，人工设计的磁性“原子”构成的人工磁性“分子”会发生能级的劈裂，产生多个磁等离极化激元本征模式。人工磁性“分子”对光波的偏振态进行调制，这一性质是本项目的研究重点。在理论上，我们首先研究了基于纳米双金属断环结构的超构材料的传感特性，引入偏振调制信号作为传感信号，得到较高的传感品质因子；其次我们在理论上研究了四层金属断环结构的磁耦合模式特性及其对透射电磁波偏振态的调制，发现此结构由于耦合作用的存在，可以在约50THz带宽范围内实现对光波偏振态的调制。此性质使得该超构材料在宽带光偏振调制领域有潜在的应用；在实验上，我们在光纤端面镀Au-WO3-Pb薄膜，用FIB加工制成光纤光栅，研究了其磁等离极化激元模式的性质。我们探测低于爆炸极限下不同密度氢气环境下的反射谱，发现在可见光波段磁等离极化激元模式的共振波长发生偏移。这是一个新颖的光纤氢气探测方案。同时在本项目的支持下，我们研究了SnO2-ZnSnO4复合陶瓷及Cr2O3掺杂的SnO2-ZnSnO4复合陶瓷的压敏电阻特性及介电性质，希望此陶瓷材料在传感领域得到一定的应用。