复合等离激元纳米结构的元激发与光学性质调控

Compound plasmonic nanostructures have been one of the hotspots of metamaterials currently, the coupling effects (CE) of which have arrested great interest among the researchers. This project is proposed to investigate CE of the compound plasmonic crystals (CPC) composed of metallic nanoparticles, as well as the manipulation on the elementary excitations and the optical properties. It mainly contains three aspects. Firstly, CE and elementary excitations of an anisotropic CPC will be studied. Based on the influence of anisotropic electric coupling on the polaritonic bandgap as well as the polarization of light, some polarization conversion devices would be properly designed. Secondly,the elementary excitations of bianisotropic CPC will be studied. The influence of magnetoelectric coupling on the polariton stop band and optical properties will be investigated as well. Thirdly, CPC with chirality would be designed, the coupling mechanism and optical properites will be investigated,such as the optical activity, negative index, etc. In addition, based on the design of CPC, the fabrication approaches of the metal/dielectric multilayer microstructures will be explored, and proper samples will be fabricated in order to demonstrate the proposed optical properties. Our results would provide the theoretical and experimental evidence for multi-functional nanostructured optical devices.

复合等离激元纳米结构是当前电磁特异材料的研究热点之一。此类材料中的耦合物理效应更是引起了相关学科科研工作者的广泛兴趣。本项目拟以金属纳米颗粒聚合物构成的复合等离激元晶体为研究对象，探讨其耦合物理效应，及其对特异材料元激发和光学性质的调控。主要内容包括三个方面：1）研究各向异性的复合等离激元晶体中的耦合机制和元激发，基于各向异性的电耦合效应，对极化激元带隙和光偏振态的调控进行分析，设计合适的光偏振转换器件；2）研究双各向异性的复合等离激元晶体的元激发，揭示磁电耦合效应对极化激元带隙和光学性质的影响； 3）设计具有手性的复合等离激元晶体，研究其耦合机理和光学性质，如旋光效应、负折射等。此外，基于以上复合等离激元晶体设计，探索金属介电多层纳米微结构制备方法，制备样品，验证其光学性质。这些将为制备多功能微纳光子器件提供理论和实验依据。

复合等离激元纳米结构是当前电磁超构材料的研究热点之一。此类材料中的耦合物理效应更是引起了多学科科学家的广泛兴趣。因此，分析耦合效应的物理机制，拓展复合等离激元纳米结构的应用，具有重要的理论和应用价值。在理论上，我们系统研究了以纳米棒对为元胞的三维等离激元晶体的电磁性质。采用了黄昆方程来分析入射电磁波与纳米颗粒上的等离激元极化波耦合的元激发（主要是横振动等离激元极化激元），推导了极化激元模式的色散关系、电磁本构参数以及透射谱表达式。我们进一步对三维等离激元晶体的宏观电磁效应，如极化激元带隙、磁电耦合、偏振转换等现象进行了理论研究和数值验证。我们也研究了三维等离激元纳米锥结构上的电磁耦合效应。理论研究表明，电磁波与金属纳米锥表面自由电子振荡的耦合可形成三类模式——等离激元模式、类FP共振模式和等离激元-类FP杂化模式。这种表面等离激元与类FP模式的强烈电磁耦合将导致宽带光吸收增强效应，对于设计宽（全）太阳光子捕获利用具有重要的意义。在实验上，我们尝试了多种方法并成功制备了二维、准三维和三维复合金属纳米微结构，并探测到一系列有趣的光学性质。1）二维结构：我们采用聚焦离子束刻蚀技术制备了梯形金属纳米片二维阵列超表面，利用入射光与超表面中矩形/梯形金属片阵列的耦合，实现了光场高阶衍射的有效调控。此外，我们制备的二维S型穿孔阵列中，表面等离激元和局域等离激元共振的耦合会诱导高品质因子的暗模式共振和巨旋光效应。2）准三维结构：我们采用磁控溅射制备了Ag/SiO2多层膜结构，采用聚焦离子束刻蚀技术加工了光栅-凹槽复合结构，理论和实验研究表明复合金属光栅中的表面等离激元模式与涡旋共振模式耦合导致光吸收增强效应，吸收极大对应于透射极小和反射极小。3）三维结构：考虑到FIB三维加工的局限性，我们采用了模板法自组装技术制备了大量金属纳米颗粒构成的三维等离激元黑体。由于金属纳米颗粒之间的杂化耦合可以将等离激元共振模式从可见扩展到中红外波段，而颗粒之间的多重散射可以将整个吸收波段的吸收效率提高到99%以上，这也是目前报道的最宽带、最高效率的等离激元光吸收体。基于溶液法自组装技术，我们尝试了有序的三维等离激元晶体的制备，也已经获得不错的效果。总之，在复合等离激元纳米结构的相关研究中，我们不但完成了项目规划的内容，也根据领域的最新进展进行了拓展，部分研究成果获得了较好引用。