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摘 要

近年来随着超材料界面处表面等离激元研究的深入以及高精度纳米加工技术的不断进步，超材料的研究不再局限于某一电磁领域，在生物学、物理学数学，生命科学等领域都具有重要的发展价值及应用前景。本文主要针对超表面产生的一种特殊的束缚模式进行研究。当超表面由于对称破缺受到入射光波的激励时会形成电偶极子模式，偶极子相互作用在某一频率处形成反向对称分布的电流，其相位相反大小相等。使得在结构中由于电流振荡而产生辐射场相互干涉作用，导致了囚禁模共振的产生以及高Q因子的出现。为了更好地研究其特性，我们利用仿真软件CST进行模拟测试，设置双层等离激元材料结构，并利用网络分析仪进行实验研究，系统的研究其偶极子耦合机理、谐振特性，利用超表面横向或纵向的机械位移实现了对双层等离激元材料囚禁模共振的人工调控。

关键词：超材料 等离激元材料 束缚态 囚禁模共振

Experimental verification of coupled Supersurface trapped mode resonance modulation

Abstract

In recent years, with the development of surface plasmon at the interface of metamaterials and the progress of high-precision nanofabrication technology, the research of metamaterials is no longer confined to a certain electromagnetic field, and has important development value and application prospects in the fields of biology, physics, mathematics, life sciences and so on. This paper mainly studies a special binding mode produced by super surface. When the Supersurface is stimulated by incident light wave due to symmetry breakage, an electric dipole mode will be formed. The dipole interaction forms a reverse symmetrical current at a certain frequency, and its phase is equal. The interaction of radiation field due to current oscillation in the structure leads to the generation of trapped mode resonance and the appearance of high Q factor. In order to better study its characteristics, we use simulation software CST to simulate and test, set up double-layer plasmon material structure, and use spectrometer to carry out experimental research, systematically study its dipole coupling mechanism and resonance characteristics, and use transverse or longitudinal mechanical displacement of Supersurface to realize the artificial regulation of the trapping mode resonance of double-layer plasmon material.

Keywords:metamaterials;plasmon materials;bound states;trapped-mode resonance

目录

第一章 绪论 1

1.1 表面等离激元 1

1.2 高品质因子Q 1

1.3 Fano共振 2

1.3.1 电磁诱导透明 2

1.3.2 囚禁模共振 3

1.4 超材料调控手段及原理 4

1.4.1电磁特性 4

1.4.2电光效应 4

1.4.3 MEMS 4

1.5 本文主要内容 5

1.6本章小结 5

第二章 基于双层等离激元材料囚禁模共振的数值仿真 6

2.1 模拟软件简介 6

2.2 CST操作步骤及建立模型 6

2.2.1基本设置 6

2.2.2背景材料设置 7

2.2.3结构建模 7

2.3 基于囚禁模共振超材料的数值仿真 8

2.3.1结构相对位移参数u的变化 9

2.3.2结构间距参数k的变化 10

2.4 高品质因子Q的变化 11

2.4.1固定结构间距参数k 11

2.4.2固定结构相对位移参数u 12

2.5本章小结 13

第三章 基于双层等离激元材料囚禁模共振的实验研究 14

3.1 实验操作 14

3.1.1金属薄片制作与实验仪器链接 14

3.1.2操作步骤 15

3.2 耦合超表面囚禁模共振调制实验数据处理与分析 15

3.3 双层等离激元材料囚禁模共振机理的分析 17

3.4 本章小结 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 表面等离激元

表面等离激元（surface plasmons）是由于在金属的表面处，其自由电子和入射进来的光子进行耦合，通过相互作用形成的电磁模式，光波入射到两种介质的界面上，此时，自由电子和光子的相互干涉发生在表面区域中，从而引起电磁振荡，进而形成了一种比较特殊的电磁模式：电磁场被限制在小范围的金属表面上并且被增强，是在介质界面处传播的一种混合激发态。其中包含有局域型的局域表面等离激元和传播型的表面等离激元。

表面等离极化激元被定义为沿着由自由电子与电磁场的相互作用产生的金属表面上传播的电子疏密波。因为在由两个半无限各向同性材料形成的分界面处，电位移矢量的法向量分量是必须连续的。但是如果分界面处是由两种介电常数分别为正、负的介电材料组成，则电场法向量分量在界面两侧会改变方向。在界面上的表面极化电荷分布的现象是由于电场的法向量分量的不连续从而引起的。表面等离激元会沿分界面传播，或是被金属吸收，或是沿其他方向散射，直至能量完全消失。

1.2 高品质因子Q

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