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摘 要

：光涡旋共振模式是一种基本的电磁激励方式。与经典的偶极子不同，本文中称之为环偶极子。环偶极子特有的涡旋共振模式具有许多新奇的电磁特性，但它不容易被远场激发。激发环偶极子需要复杂的金属微纳结构。本文中主要以简单金属微纳V型槽结构入手，研究光频段的电磁涡旋共振模式，并从理论计算和实验两方面研究该模式的物理性质和应用潜景。

关键词：表面等离激元；涡旋共振模式；环偶极子；金属微纳结构；超材料；表面增强拉曼；反射光谱；CST Microwave Studio。

Study of plasmon toroidal mode at optical frequencies based on metal micro-nano structure

Abstract: Plasmon toroidal mode is a fundamental electromagnetic excitation, which is different from electric and mangentic multipoles. The electromagnetic properties of toroidal multipoles are unusual, and it cannot be excited by far field source directly.The excitation of toroidal mode recurs to complicated nanostructures. In this article, a simple circular V-groove array and of its toroidal multipoles at optical frequencies are studied theoretically and experimentally.

Key Word: Surface Plasmon Polariton; Toroidal Mode; Toroidal Dipolar; Metal Micro-nano Structure; Meta-material; Surface Enhanced Raman Scattering; Reflection Spectrum; CST Microwave Studio.

目录

第一章 背景简介 4

1.1 表面等离激元 4

1.2 金属微纳结构 4

1.3 涡旋共振模式 4

1.4 表面增强拉曼 5

1.4.1 SERS的解释 5

1.4.2 SERS理论模型 6

第二章 仿真方案 7

2.1 CST仿真软件 7

2.1.1 CST微波工作室 7

2.2 CST仿真的建立 8

2.2.1 单位参数 8

2.2.2 材料参数 8

2.2.3 边界条件 9

第三章 实验方案 10

3.1 样品制作 10

3.1.1 聚焦离子束 10

3.2 测量光路 11

3.3 测量工具 12

第四章 仿真结果 13

4.1 仿真目标 13

4.2 参数优化 16

4.2.1 周期优化 16

4.2.2 半径优化 19

4.2.3 宽度优化 22

4.2.4 深度优化 24

4.3 数据处理 26

4.3.1 532nm的参数 26

4.3.2 633nm的参数 28

第五章 实验结果 30

5.1 样品介绍 30

5.2 反射光谱 31

5.3 拉曼信号 32

5.4 数据分析 33

第六章 致谢 34

参考文献 35

第一章 背景简介

1.1 表面等离激元

表面等离激元（Surface Plasmon，SP）是在电磁波的作用下，之后在导体表面产生的电子的集体振荡^[1]。此外表面等离激元和相邻介质中的光子耦合而形成的混合振荡，则被称为表面等离极化激元（Surface Plasmon Polarity，SPP）^[2]。

1.2 金属微纳结构

金属微纳结构是目前纳米光学研究较热门的一个领域，此种金属阵列和光相互作用产生了许多新奇的性质，目前研究比较广泛的是关于该结构的表面增强拉曼以及制作生物和化学方面的传感器，制备负折射率材料和非线性光学的研究。本次毕设所采用的金属微纳结构，周期性均在500nm以下，俩方阵列排布，本次毕设将在此种结构上进行进一步的光学性质研究。

1.3 涡旋共振模式

涡旋共振模式又称环形偶极子共振，而环形偶极子是一种基本的电磁激励方式，但是它与我们所熟悉的电偶极子以及磁偶极子的激励方式有所不同。在核物理和粒子物理领域，它被认为同宇称不守恒有关，但是在经典电动力学中并没有证明环偶极子存在的直接证据^[3]。

图1.3.1 各类偶极子简介

图1.3.1 A和B中分别是电偶极子和磁偶极子的示意图，前者是有分离的正负电子对形成，后者是由闭合的电流元产生的。而图1.3.1 C中则是由绕环经脉方向流动形成的电流圈产生的环形偶极子（涡旋共振模式）。环形偶极子最早由Zel’dovich 于1957年提出（但当时他将此命名为anapoles^[4]），并且早已被粒子物理和原子物理所认知^[5][6]。基于第一性原理的计算也揭示了在一些特定分子形状^[7]和铁电系统^[8]中环形偶极子的存在。

由于环偶极子和环多极子所显露的与众不同的电磁特性，对环偶极子和环多极子的研究是一门日益热门的课题。特别是在研究表明它的场强度并不是取决于电场和磁场的相互作用，而是电场和磁场在时间上的导数。同时它也说明了在没有稳定磁场作用下不稳定电流阵列与环多极子可以产生振荡和传播矢量^[9][10]。而某些存在环形结构系统的分子元素可以使光的偏振旋转^[11]，或者使光在其中传播时体现出介质的负折射率性质^[12]。Afanansiev^[13]表明电流的交互作用所产生的环多极子违反了相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并且作用在同一条直线上的牛顿第三定律。另外，一个包含了环形极性的材料也被认为在光传播的相反方向上可以体现出不同的光学特性^[14]。

在这些环多极子家族中最为原始简单的成员是环偶极子T^[15]。它是由极向电流的运动所产生（电流沿着环表面经脉流动），可以类似于一个首尾相连的环形磁偶极子所产生的。这种环偶极子方向是沿着垂直于环面方向向外，环形线圈和类似的分支形状也可以用来表示环偶极子。环偶极子的电磁场强度对比表明，它通常被比他更强的例如电多极子和磁多极子的效应所掩盖。因此，如何做好对环形偶极子的相应并有效地观测他们是一个巨大的挑战。

1.4 表面增强拉曼

1.4.1 SERS的解释

入射光波和介质发生相互作用从而发生散射，可以分为俩种散射现象，弹性散射和非弹性散射^[16]。弹性散射是散射光的频率和入射光频率相同，入射光经过介质发生相互作用之后频率不改变的情况。而非弹性散射则是散射光的频率和入射光频率不同，入射光经过介质发生相互作用之后频率发生改变的情况（详情可见图1.4.1.1）。拉曼光谱的这一现象是由1928年物理学家C.V.Raman发现并由他的名字命名的。

图1.4.1.1 入射光和介质相互作用示意图

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