矢量光束对纳米结构共振模式的调控研究

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在突破光学衍射极限的纳米尺度下研究光与物质的线性和非线性相互作用,不仅可以揭示许多新的物理现象,而且可以推动各种相关的新应用,包括光子集成器件、高性能数据处理、光计算、超分辨成像、增强光谱、生物化学传感等等,这将极大地促进现代光学的发展,并由此产生新兴的纳米光子学研究领域。纳米光子学的诸多应用都依赖于等离激元或者电介质纳米结构单元在其共振模式处的局域电场和远场散射特性,使得关于纳米结构的共振特性及其共振模式的调控研究成为纳米光子学的基础,对理解相关物理现象的机理和改善纳米结构的光学响应至关重要。长久以来,人们通常依靠改变纳米结构的尺寸、形状及组成材料来调控其共振模式,而往往忽视具体激发光场的调控作用。近年来,随着人们对具有空间不均匀偏振分布的矢量光束研究的深入,矢量光束与纳米结构的相互作用也引起了广泛的研究兴趣。得益于矢量光束焦场特殊的强度、相位和偏振分布与纳米结构共振模式间的模式匹配,聚焦的矢量光束能够高效且有选择性地激发出纳米结构的特定共振模式,并实现对其局域电场和远场散射场的有效调控,对纳米光子学的基础研究和实际应用都具有重要的指导意义。本论文通过理论、实验和数值模拟系统地研究了聚焦的径向和角向矢量光束对不同纳米结构的共振模式的调控作用,主要的研究内容和研究结果有:(1)实验和数值模拟研究了聚焦的径向和角向矢量光束对单个金纳米球的横向和垂直电偶极共振模式的选择性激发。聚焦的角向矢量光束焦场具有纯角向的电场偏振分布,当金纳米球在其焦面内移动时,只能激发出具有任意面内取向的横向电偶极共振模式;而聚焦的径向矢量光束焦场具有三维取向的电场偏振分布,能够选择性地激发出金纳米球的横向和垂直电偶极共振模式,最终叠加得到具有任意三维取向的电偶极共振模式,并实现对金纳米球的局域电场分布的有效调控。(2)理论和数值模拟研究了聚焦的角向矢量光束对单个金属-电介质核壳纳米球的横向电偶极共振模式和垂直磁偶极共振模式的选择性激发。聚焦的角向矢量光束焦场除了具有纯角向偏振的电场分量外,还具有纵向偏振的磁场分量。当核壳纳米球由其焦斑中心向外移动时,能够选择性地激发出强度不同的横向电偶极共振模式和垂直磁偶极共振模式。这两个共振模式在远场叠加产生具有不同横向单向性的散射分布,实现对远场散射的有效调控。(3)数值模拟研究了聚焦的径向矢量光束对单个金属纳米结构的局域表面等离激元共振模式,尤其是等离激元暗模式的高效且选择性激发。径向矢量光束焦场三维取向的电场偏振分布使得其焦斑不同区域内具有不同局域对称特性的电场偏振分布,能够有效匹配并高效且有选择地激发出单根金纳米棒的等离激元垂直电偶极、横向电偶极、长轴偶数阶和长轴奇数阶共振模式,以及单个银纳米圆盘的等离激元径向呼吸暗模式、具有不同电偶极矩分布的等离激元电偶极和电四极共振模式。(4)数值模拟研究了聚焦的角向矢量光束对金纳米开口环-纳米弧复合结构的等离激元法诺共振的高效激发。与线偏振平面光波相比,角向矢量光束焦场的电场偏振和强度分布能够有效匹配并高效激发复合纳米结构的等离激元键合模式,使得法诺共振的散射光谱线型更加不对称,并实现等离激元键合模式处的局域光场强度增强因子60倍的提升。此外,角向矢量光束对复合纳米结构局域光场的增强可以有效提高其二次谐波信号的产生效率,并最终使得等离激元键合模式处的二次谐波强度相比线偏振平面光波激发的情形增强了30倍,并且角向矢量光束激发出的二次谐波远场辐射分布也更加对称。
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