等离激元去相位时间的调控研究进展

Applied Physics 应用物理, 2020, 10(1), 15-23 Published Online January 2020 in Hans. 4fd6fdde720abb68a98271fe910ef12d2af9a9a6/journal/app https://4fd6fdde720abb68a98271fe910ef12d2af9a9a6/10.12677/app.2020.101003

文章引用: 王硕, 季博宇, 徐洋, 宋晓伟, 林景全. 等离激元去相位时间的调控研究进展[J]. 应用物理, 2020, 10(1): 15-23. DOI: 10.12677/app.2020.101003

Research Progress of Modification the Plasmon Dephasing Time

Shuo Wang, Boyu Ji, Yang Xu, Xiaowei Song *, Jingquan Lin

Ultrafast Optics Laboratory, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin

Received: Dec. 17th , 2019; accepted: Jan. 1st , 2020; published: Jan. 8th , 2020

Abstract

Plasmon is an electromagnetic wave pattern formed when free electrons on a metal surface inte-ract with incident photons. The performance of a plasmon in an application is closely related to the damping of the plasmon.

The dephasing time of the plasmon is an important parameter for evaluating the damping. Accurate measurement and manipulation of the dephasing time are pre-requisites for the development of plasmons in future applications. This paper presents the related research on changing the conditions of nanostructured materials, structure size, incident light source, plasmon mode, and coupling effect to control the dephasing time of plasmon field in metal nanostructures. The content described in this article will help people to further understand the dynamic evolution process of plasmon, and lay the foundation for the application of plasmon in the field of the ultrafast optical switches. Keywords

Plasmon, Dephasing Time, Plasmon Mode, Mode Coupling

等离激元去相位时间的调控研究进展

王 硕，季博宇，徐 洋，宋晓伟*，林景全

长春理工大学超快光学实验室，吉林 长春

收稿日期：2019年12月17日；录用日期：2020年1月1日；发布日期：2020年1月8日

摘 要

等离激元是金属表面的自由电子与入射光子相互作用时形成的一种电磁波模式，等离激元在应用中的性*通讯作者。

王硕 等

DOI: 10.12677/app.2020.101003

16 应用物理 能与等离激元的阻尼密切相关。等离激元的去相位时间是评价阻尼的重要参数，精确的测量及操纵去相位时间是等离激元在未来应用发展的先决条件。本文给出了改变纳米结构材料、结构尺寸、入射光源、等离激元模式及耦合作用等条件实现对金属纳米结构中等离激元场去相位时间调控的相关研究。本文所述内容有助于人们对等离激元动力学演化过程作进一步理解，为等离激元在超快光开关等领域的应用奠定基础。

关键词

等离激元，去相位时间，等离激元模式，模式耦合

Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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1. 引言

当外界光照射到金属纳米结构上时，金属中的自由电子会与光子相互作用形成等离激元。等离激元分为传导型和局域型两种，传导表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)沿金属与介质之间的界面传播，其传播距离取决于材料本身及因其共振而产生的欧姆损耗[1]。在制备新型亚波长波导、新型能源及光存储等领域有很重要的应用，但因为色散关系表面等离激元无法被入射到金属表面的光直接激发。局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon, LSP)是能量高度局域化的结果，相较于SPP 来说LSP 更易被光激发。因共振频率受多种因素的影响，可调范围广，其可以突破光的衍射极限，在增强拉曼光谱及生物检测等领域有广泛的应用，吸引了很多学者的关注。

等离激元最重要的性质是其振荡衰减过程，即去相位过程，衰减可分为向外衰变成光子的辐射衰减过程及因吸收入射光而引起的非辐射衰减过程(带间跃迁和带内跃迁)。去相位时间是描述等离激元衰减的重要参数，等离激元的许多应用与去相位时间有着重要的依赖关系，例如表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) [2] [3]、荧光增强[4] [5] [6]及太阳能电池应用的光捕获[7] [8]等。且去相位时间可以表征等离激元的寿命，是评价辐射与非辐射阻尼的重要参数，也是等离激元动力学演化中最重要的部分，所以对去相位时间的研究有助于人们进一步理解等离激元的物理机制及其时空演化过程。通常可以通过两种方法得到等离激元的去相位时间，分别是线宽计算法和阻尼谐振子模型拟合法。利用线宽及模型拟合来获取去相位时间的方法已有学者对其进行了充分的研究[9] [10] [11] [12]，此处不再进行详细说明。对等离激元去相位时间调控的研究为人们在极小纳米尺度上操纵等离激元奠定坚实基础，使等离激元在传感及超快电子源等领域有更广泛的应用前景，因此目前对等离激元去相位时间调控的研究已经吸引了大量研究者的关注。

2. 等离激元去相位的调控研究

金属纳米结构之所以能有广泛的应用是因为它们能够与入射光相互作用等离激元，而等离激元的广泛应用是得益于弱的等离激元阻尼。金属纳米结构的形状、尺寸、材料及介电环境等因素都会影响等离激元的性质，引起辐射或非辐射阻尼的变化，进而影响等离激元场的去相位过程。本文我们将会从纳米结构材料、尺寸、光源条件及等离激元模式等几方面来讨论等离激元去相位时间的调控，分析其影响因素和调控机理。为人们进一步理解等离激元动力学演化过程及其在超快纳米等离激元芯片等领域的应用奠定基础。

Open Access

王硕 等

DOI: 10.12677/app.2020.101003

17 应用物理 2.1. 纳米结构材料及尺寸对等离激元去相位的调控

纳米结构的材料会影响等离激元共振频率，而共振频率是影响等离激元去相位过程的一个重要因素。已有研究表明可以通过改变纳米材料使等离激元线宽发生变化来调控去相位时间。1999年 B. Lamprecht 等人[13]利用二阶非线性光学自相关方法研究了电子束光刻技术[14] [15]制造的非中心对称的金属纳米颗粒阵列中等离激元的去相位，材料是金和银两种，获得的函数二次谐波产生强度和延迟时间是脉冲的二阶自相关函数(ACF)，其包含有关脉冲长度的信息。对于金颗粒阵列，颗粒的ACF 比激发激光脉冲的ACF 宽，如图1(a)所示，并用单粒子光谱法给出了金颗粒去相位时间的值为8 fs 。与金颗粒相比银的表面化学阻尼机制比较活跃，获得的银的去相位时间在7和10 fs 之间变化[13]。可以看到不同材料的去相位时间是不同的，所以可以通过设置不同的材料来实现对等离激元去相位过程的调控。

等离激元共振频率是影响等离激元去相位过程的一个因素，纳米结构的形状和尺寸都会影响共振频率，进而影响去相位过程。2002年J. Bosbach 等人通过持续光谱烧孔和激光辅助纳米颗粒制备这两种特殊方法的组合，系统地研究了银纳米颗粒中表面等离激元的去 …… 此处隐藏：15680字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……