基于表面等离激元腔与激子强相互作用的理论研究

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表面等离激元作为金属中自由电子振荡和金属表面光场的混合模式,因其具备的近场特性使光场被局域在小于同频率光自由空间波长的范围内,这一亚波长特性使得其在纳米光学中有着重要地位。近些年来,表面等离激元与激子之间的强耦合,由于具备超小的模式体积和常温下可发生的特点,使其具备广泛的应用前景,成为了为广受关注的研究热点。已经有研究发现表面等离激元可以与J聚集体分子,染料分子,量子点等多种激子发生强耦合。在本文中,我们结合纯理论计算和FDTD数值仿真方法,对Kret schmann结构中所激发的等离激元与电介质层内J聚集体分子的强耦合现象进行了研究,具体研究内容如下:首先,我们在Kret schmann结构中激发表面等离激元的介质层使用了掺杂了 J聚集体分子的电介质,并通过计算和FDTD仿真得到其反射谱。通过反射谱中Rabi劈裂的出现,我们确定了其中强耦合现象的发生。为了研究该结构和J聚体分子介电常数洛伦兹模型中各个参数对于强耦合作用的影响,我们使用控制变量的方法对其进行研究,并总结了各参数对强耦合调控作用的规律。另外,我们进一步研究了 Goos-Hanchen位移在强耦合现象发生时的变化。通过仿真计算,我们发现其在Rabi劈裂的两峰值对应频率位置处最强,因为强耦合导致此处表面等离激元转化效率最高,证明了该线性位移与强耦合之间存在的关联,并在之后总结了各参数对其的影响。然后,我们基于Kretschmann结构上设计提出了一种5层结构,在介质层另一侧对称添加了与原来等厚度的金属层和棱镜层,构成了夹在两层棱镜中的银层-介质层-银层结构。入射光在一层金属-介质分界面上激发表面等离激元并与介质层中激子发生强耦合,在另一侧介质-金属分界面上去耦合转化为透射光。通过理论计算和FDTD仿真对该结构进行分析,我们获得反射谱和透射谱并均在其中观察到Rabi线形,证明强耦合的存在。由于透射光线由表面等离激元去耦合产生,我们发现结构中不同波长入射光产生的透射角度,与激发表面等离激元时的共振角度始终相等,并通过FDTD仿真验证了这一结果,因此透射光角度可由结构参数调控。通过对比不同耦合强度时的反射谱和透射谱,发现耦合变强Rabi劈裂越大,结构透射率和反射率均降低。在该结构中,我们可以通过控制结构和J聚体分子介电常数洛伦兹模型中各个参数的值,来对银-介质-银层结构中的强耦合现象进行调控,控制耦合强度和劈裂产生的波长位置,这使得我们所设计的结构在量子网络、光开光和等离激元传感等领域具备潜在应用。
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