奈米殼型結構

（a） （b）

圖 32、（a）金屬全包覆結構（Full metal SPASER）。（b）半金屬殼型結構（Metal semishell SPASER）。

金屬全包覆結構（Full metal SPASER）為厚度 10nm 之銀金屬殼層包覆半徑 100nm 的二氧化矽球核，而半金屬殼型結構（Metal semishell SPASER）則是銀殼層包覆球核的 一半。其中球核處摻雜增益介質，用以提供表面電漿子能量並使其放大。

當二氧化矽介電質沒有外加增益介質，亦即光學增益程度 k 為零時，不論是何種結 構，其散射截面積皆會比吸收截面積大，表示電磁波入射至受激輻射引致表面電漿子放 大元件時，大多能量被奈米粒子反射至真空中，而僅有相對較少的能量被奈米粒子所吸 收，其原因可能為奈米粒子本身半徑較大，故越趨向於散射主導，如圖 33 所示，在光 學頻譜圖上出現兩個高峰（peak），對於金屬全包覆結構來說，對應到波長 716.1nm 及 590.55nm，而對半金屬殼型結構而言，則對應到波長 632.91nm 及 330.4nm，這表示在 未加入增益介質下金屬殼層的表面電漿子會於該波長處發生共振，由於本實驗設計之受

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激輻射引致表面電漿子放大元件希望其雷射輸出在可見光-近紅外光波段，故針對波長 390-1000nm 作探討。

局域表面電漿子的放大輸出可以簡易的從受激輻射引致表面電漿子放大元件的物 理機制了解，實際上是由入射光、金屬殼層、摻有增益介質的二氧化矽三者的交互作用 產生表面電漿放大。此作用為一動態過程：摻有增益介質的二氧化矽提供能量「補償金 屬殼層局域性表面電漿共振（Local SP resonance，LSPR）損耗」或是「形成表面電漿子 放大輸出」，其 LSPR 膜態也會再次激發增益介質形成回饋機制，為了顯示局域表面電 系統淨光學放大量（net optical gain）應為零，亦即其消光截面積（吸收與散射截面積之 和）為零[4]。同理，我們也可以求得半球殼奈米結構增益閾值為-0.0902。

400 500 600 700 800 900

0

300 400 500 600 700 800 900 0

-0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 -0.03

-0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 -0.06

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（super-resonance）穩定存在[7]。我們定義 Aabs及 Asca為奈米系統吸收與散射放大率：

min 0

此外，隨著光學增益的下降（k<0），半高寬（Full width at half maximum，FWHM）

會大幅下降且品質因子也顯著上升，這是因為光場放大量勝過奈米系統的消散能量。對

400 500 600 700 800 900

-0.010

400 500 600 700 800 900

-6.0x10^-4

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我們也可以藉由計算奈米粒子邊界得到能量流極化圖加以印證「能量等量的向四方傳遞」

訊息。由遠場極化圖（圖 38）可知，金屬全包覆結構最終將輻射至十字軸方向。

另一方面，如圖所示，半球殼結構二氧化矽核與半殼層交界處，有極大的局域場，

其值可高達 1709.59V/m，其值大小不僅遠高於金屬全包覆結構且其場分布更集中於奈米 局域，此高強度局域場意指能夠再次激發增益介質，引致更多受激輻射並致使更多表面 電漿子的產生，提供「強」回饋機制。如圖 37 所示，能量大致向外散射，主要源於元 件上方處及兩側輻射，且隨著遠離奈米結構能量流會向兩側匯聚。比較兩結構之遠場極 化圖，半球殼結構比起金屬全包覆結構更具有較佳的方向性，並沿半殼層之軸輻射。

（a） （b）

圖 36、金屬全包覆結構電場分佈圖，其中紅色箭頭為能量流向。（a）能量流大小歸一化。

（b）能量流大小正比於箭頭長度。

（a） （b）

圖 37、半金屬殼型結構電場分佈圖，其中紅色箭頭為能量流向。（a）能量流大小歸一化。

（b）能量流大小正比於箭頭長度。

37

（a） （b）

圖 38、（a）金屬全包覆結構的遠場極化圖。（b）半金屬殼型結構的遠場極化圖。

（a） （b）

圖 39、（a）金屬全包覆結構的能量流極化圖。（b）半金屬殼型結構的能量流極化圖。

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