等離激元Fano共振的激發(fā)與應用

摘 要Fano共振的概念是由意大利物理學家U.Fano在量子體系的框架中提出，描述的是原子吸收光譜中會出現(xiàn)不對稱洛倫茲線型。這是由于量子體系中的連續(xù)態(tài)能級和分立態(tài)能級相互重疊而產(chǎn)生量子干涉的結(jié)果。在等離激元體系中，同樣存在著Fano共振源于納米結(jié)構(gòu)體系所支持的等離激元明模式與暗模式的耦合，更加適用于實際應用。本文總結(jié)了兩種主要的等離激元Fano共振的激發(fā)方式，并簡述了等離激元Fano共振的幾個典型應用。通過對其激發(fā)和應用領域的概述，使人們能夠更加深入地了解和認識等離激元Fano共振。

【關鍵詞】等離激元Fano共振 明模式 暗模式 耦合

1 理論概述

等離激元Fano共振源于金屬納米結(jié)構(gòu)體系中能夠與入射光直接作用部分激發(fā)的等離激元偶極明模式和被明模式激發(fā)的暗模式相互作用。結(jié)構(gòu)體系激發(fā)的明模式，具有較大的輻射展寬，類似于量子體系中的連續(xù)態(tài)能帶；而暗模式由于不能被入射光直接激發(fā)，它具有較小的輻射展寬，類似于量子體系中的分立態(tài)能級。當這些明模式和暗模式相互耦合，在所得的光譜中也會獲的非對稱洛倫茲線型，這種效應對于譜線整形、提高結(jié)構(gòu)體系傳感性能和非線性效應具有十分重要的應用。本文簡單地例舉了兩種激發(fā)等離激元Fano共振的方法，并對其在實際應用方面做了概述。

2 等離激元Fano共振的激發(fā)

由于激發(fā)等離激元Fano共振需要兩個性質(zhì)不同的模式之間的耦合，分別是具有強輻射損耗的模式的明模式和具有弱輻射損耗的暗模式。如何激發(fā)明暗模式和它們之間的耦合是等離激元Fano共振激發(fā)的關鍵。

2.1 明暗模式均由整體結(jié)構(gòu)體系支持

該方法是利用整體結(jié)構(gòu)體系形成的等離激元明模式和整體結(jié)構(gòu)體系形成的等離激元暗模式相互耦合得到了等離激元Fano共振效應。最為典型的就是單體結(jié)構(gòu)的情況，如對于一個入射光垂直輻照下的銀圓柱體結(jié)構(gòu)，其明暗模式均是由其自身在不同波長位置處下所激發(fā)，再通過在光譜中的相互重疊就激發(fā)了等離激元Fano共振效應，如圖1a所示。

2.2 明暗模式分別由結(jié)構(gòu)體系不同部分支持

該方法是通過結(jié)構(gòu)體系中不同部分，分別支持等離激元明暗模式，并由等離激元明暗模式相互耦合形成等離激元Fano共振，運用表達式表示為：|I>→|B>→|D>→|B>，其中其中|I>是入射光場，|B>是明模式，|D>是暗模式。最為典型的就是二聚體納米結(jié)構(gòu)，如圓盤與圓環(huán)組成的二聚體納米結(jié)構(gòu)，在入射光偏振方向與結(jié)構(gòu)對稱軸垂直且正入射輻照結(jié)構(gòu)表面，即可激發(fā)等離激元Fano共振。該等離激元Fano共振源于，圓盤與入射光直接耦合得到的等離激元偶極明模式和被等離激元明模式間接激發(fā)的圓環(huán)等離激元暗模式相互耦合，如圖1b所示。

3 等離激元Fano共振的應用

等離激元Fano共振在眾多領域都有廣泛的應用，本文簡單例舉了在傳感和表面增強光譜信號方面的應用。

基于等離激元Fano共振具有較高的品質(zhì)因數(shù)，對周圍環(huán)境介電常數(shù)變化極其敏感的特點，可以作為一種傳感器，可以實現(xiàn)實時、無標記且高效的檢測。

基于等離激元Fano共振能夠?qū)⑷肷鋱瞿芰亢芎玫木钟蛟诮Y(jié)構(gòu)表面，并產(chǎn)生極大近場增強的特點，可以用于增強特定光譜學信號，如SERS、二次諧波等。

4 結(jié)語

本文通過兩種方式來敘述了等離激元Fano共振的激發(fā)機制，可以對設計納米結(jié)構(gòu)形態(tài)有進一步幫助。利用等離激元Fano共振獨特的光學特性，為傳感、表面增強光譜等多個領域有重要的應用。

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作者簡介

崔健（1991-），男，朝鮮族，吉林省延邊州朝鮮族自治州人。碩士學歷。研究方向為原子分子與電磁場相互作用。

作者單位

長春理工大學 吉林省長春市 130000