【摘 要】
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随着科技的发展,光子器件的小型化需求也愈发强烈,到目前为止,其尺寸可达到纳米量级。而纳米光子学作为一门新兴学科,往往与表面等离激元密切相关。然而,表面等离激元模式由于其固有的金属损耗导致了相对较低的Q因子,限制了相关光子器件的发展。近年来,窄线宽共振模式以其高Q因子引起了各个课题组的关注与研究。Fano共振模式,混合等离子体波导模式,暗态表面等离激元模式及连续域束缚态模式（BIC）等都具有较窄的共
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随着科技的发展,光子器件的小型化需求也愈发强烈,到目前为止,其尺寸可达到纳米量级。而纳米光子学作为一门新兴学科,往往与表面等离激元密切相关。然而,表面等离激元模式由于其固有的金属损耗导致了相对较低的Q因子,限制了相关光子器件的发展。近年来,窄线宽共振模式以其高Q因子引起了各个课题组的关注与研究。Fano共振模式,混合等离子体波导模式,暗态表面等离激元模式及连续域束缚态模式（BIC）等都具有较窄的共振线宽,它们在传感、纳米激光,非线性光学等方面有许多潜在的应用。其中混合等离子体波导模式,它通过将强场限制在波导层内而减少损耗,并产生较高的Q因子,得到了人们的大量研究。连续域束缚态模式（BIC）也得到了人们的广泛关注。连续域中真束缚态是一个具有无限高Q因子和零共振线宽的数学对象,但真BIC只有在理想状态下才能形成,而准BIC也具有超高的Q因子和极窄的线宽同样被广泛研究。准BIC具有广泛的应用前景,同样可用于纳米激光,传感器,此外还可用于滤波器,非线性光学等领域。对于纳米激光器来讲,如何有效地降低其阈值是一个关键的问题,研究表明,高Q因子可以增强光与物质的相互作用而达到降低阈值的目的。通过表面等离激元模式与传统波导模式耦合所产生的混合等离子体波导模式,可以将强场限制在波导层内而减少损耗,并产生较高的Q因子,使其在纳米激光领域有着低阈值和波长可调谐的优势。本论文的第一个工作是理论上对基于混合等离子体波导模式的低阈值可控纳米激光进行了相关研究,主要研究结果为:通过在银光栅下面引入低-高折射率层,研究了该纳米结构的光谱特性,并发现其透射谱具有很高的Q因子,改变纳米结构的参数,Q因子也会发生变化。高Q因子使得该纳米结构非常适合于纳米激光。结合四能级二电子材料,利用FDTD Solutions软件对其激光行为进行模拟,实现了混合等离子体波导的纳米激光。得到的激光阈值为0.042 m J/cm~2,且可以通过调节纳米结构的参数来实现纳米激光的调节。论文第二个工作是基于准BIC模式在传感器上的应用研究。我们提出了一种基于准BIC激励的环形偶极子（TD）谐振传感器,它在由单个非同轴核壳圆柱阵列构成的高折射率介电超表面中产生。通过对非同轴纳米圆柱核壳结构的光谱的研究发现,当对称性破坏时,其透射谱线中会出现一个极窄的峰,该透射峰的Q因子很高,同时局域场增强很大,且峰值处的强场主要分布在外圆柱壳的表面,这对于生物传感是非常有利的。研究发现,这种准BIC激励的TD谐振传感器,不仅具有极高的灵敏度S,达到了336nm/RIU,还具有很高的FOM,达到了3.36×10~4。我们所提出的纳米结构对TD谐振的研究和超灵敏传感器的开发具有重要意义。
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