亚波长尺度金属/半导体微结构振荡效应研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jnbosine
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亚波长尺度的金属微结构、超材料(metamaterial)的奇异物理特性吸引了学术界广泛的关注,由于这些金属微结构强烈的表面等离子体共振耦合作用,表面等离子体激元(SPPs)被强烈地限制在结构的周围,在这些结构中可以实现负折射现象、电磁场的强烈局域现象,用以加工制作的器件尺度甚至可以克服衍射极限,这些亚波长尺度金属结构在超透镜、生物传感、光学隧道器件、微型振荡器、微型光源、量子信息技术以及集成光学中都具有潜在可能性和巨大优势。鉴于此,本文对金属微结构中的微型振荡器,亚波长尺度金属/半导体微结构振荡效应进行了研究。  针对纳米三明治结构中磁性等离子体(MP)共振模式的谐振波长变化规律,将纳米三明治几何构型、中心层介质材料折射率的改变对谐振波长的调控归结为对纳米三明治结构等效LC电路的调整,给出了MP模式谐振波长的调控规律和理论解释。本论文研究了纳米三明治振荡器对电磁能量的限制,并从热和辐射两方面分析了该类结构品质因子(Q)的变化情况,同时提出了在纳米三明治结构中引入低折射率层以改善Q值的方案,使该类结构中较高的欧姆热损耗得到了抑制,使纳米三明治结构中MP振荡模式的品质因子Q提高了36%。分析了MP振荡模式在纳米三明治链状波导结构中的能量传输情况。  针对表面等离子体模式克服衍射极限的特性设计了亚波长金属/半导体振荡器,在该设计下等离子体模式在金属层与半导体材料交界面的两端面实现FP腔反馈,该类等离子体模式Q值可上百,结构尺度小于光学衍射极限尺度,并论证了该设计方案下半导体材料作为增益介质材料进行增益补偿的可行性。  通过FIB等微加工手段制作了亚波长金属/半导体结构,实验观测到光学泵浦条件下增强的自发辐射现象(ASE-SPP),小尺度亚波长金属/半导体结构中观测到的ASE现象拥有窄线宽以及稳定的辐射中心波长等优势。
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