【摘要】：在過去的十幾年間,受益于微納尺度上加工、操縱技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和人們對(duì)微納結(jié)構(gòu)性質(zhì)的深入了解,微納光子學(xué)獲得了長足的發(fā)展,并為信息、醫(yī)療、加工制造等各個(gè)科學(xué)或工業(yè)領(lǐng)域提供了各類新型手段和工具。而等離激元作為微納光子學(xué)中重要的分支,在今天受到了廣泛的關(guān)注。表面等離激元極化(SPP)是發(fā)生在金屬-電介質(zhì)附近的一種電子集群振蕩波,它具備和其它波動(dòng)形式類似的特征。SPP可以用波動(dòng)方程描述,可以根據(jù)空間的邊界條件表現(xiàn)出特定的模式,比如周期性條件下可產(chǎn)生能級(jí)和能帶。SPP的豐富性質(zhì)使它具有非常廣闊的應(yīng)用空間。利用不同形狀的金屬微納結(jié)構(gòu),人們陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了一系列SPP器件:天線、波導(dǎo)、濾波器、諧振子(腔)等。這些器件不僅豐富了光集成技術(shù)的元件庫,也是研究納米尺度上光與物質(zhì)相互作用的重要工具。操縱SPP結(jié)構(gòu)之間的耦合,是調(diào)控SPP結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的一種方法。根據(jù)P.Nordlander等人所提出的等離激元雜化模型,結(jié)構(gòu)單元間耦合的引入可使單個(gè)SPP結(jié)構(gòu)的能級(jí)發(fā)生改變;而耦合能常常取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷分布和結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)空間位置。從這一理論出發(fā),我們可以通過空間位置的操縱,來調(diào)控耦合等離激元系統(tǒng)的光學(xué)特性。本論文的緒論中,我們介紹了 SPPs的一般性原理,包括SPP的存在形式、SPP與空間模式的耦合、SPP模式之間的耦合。其中,局域SPP結(jié)構(gòu)中的電荷分布和近場的耦合能直接相關(guān)聯(lián),是我們所格外關(guān)注的。同時(shí),我們也在緒論中介紹了 SPP結(jié)構(gòu)一些主要和具有代表性的應(yīng)用。定量研究SPP結(jié)構(gòu)之間耦合效應(yīng)要求精密的距離控制,這對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)裝置提出了很高的要求。在這里,核心的部件是用作距離保持的石英音叉振子,其阻抗特性反映了耦合組件之間的范德瓦耳斯力,因而可用作力學(xué)傳感器、用于精確標(biāo)定等離激元結(jié)構(gòu)間的距離。為滿足實(shí)驗(yàn)所要求的高靈敏度,理解實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象,我們?yōu)槭⒁舨嬲袷幤髟O(shè)計(jì)了一種新的等效電路模型,替代傳統(tǒng)的單諧振子等效電路。新設(shè)計(jì)中引入了音叉兩臂之間的耦合項(xiàng)和損耗項(xiàng),利用耦合和損耗的機(jī)制,我們可以解答一些單諧振子模型無法解釋的現(xiàn)象,其中較為重要的結(jié)論包括,兩臂的機(jī)械耦合,容許音叉在一定的質(zhì)量不對(duì)稱下,不出現(xiàn)聲譜的分裂。根據(jù)等效電路的分析,可以獲取一種控制音叉振子品質(zhì)因數(shù)、制作高品質(zhì)因數(shù)石英音叉振子的方法。在SPP結(jié)構(gòu)中,因?yàn)殡姾芍g的耦合能隨距離非線性增加,其光學(xué)性質(zhì)在納米尺度上具備對(duì)距離的強(qiáng)烈敏感性。針對(duì)這一效應(yīng),我們可以通過測(cè)量動(dòng)態(tài)耦合的SPP系統(tǒng)的反射譜,來精確得獲取亞納米尺度上的距離信息。第三章節(jié)中,我們使用牛頓環(huán)方法,同步得采集不同距離上的光譜信息。固定的幾何形狀決定了這一方法能夠以高精度給出相對(duì)距離。利用SPP結(jié)構(gòu)之間的近場干涉,使用可以批量制作的金屬納米點(diǎn)陣,我們將待檢測(cè)樣品表面15nm的起伏轉(zhuǎn)化為顏色的對(duì)比度。這種基于SPP的光學(xué)平板突破了傳統(tǒng)光學(xué)平板在深亞波長尺度上的限制,提供了一種快速、低成本、高靈敏度的表面形貌檢測(cè)方法。第四章中,利用高品質(zhì)因數(shù)音叉振子,我們測(cè)量了光腔中的微弱光力,在這一測(cè)量過程中,可以充分排除掉伴生的熱效應(yīng)的干擾。實(shí)驗(yàn)證實(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的音叉振子在測(cè)力時(shí)具有極低的噪聲,將光力測(cè)量的背景噪聲控制在0.1皮牛頓以下,這也使它可能成為一類重要的微弱信號(hào)測(cè)量工具。
【圖文】：

四種光頻段等離激元器件與相應(yīng)微波器件的對(duì)比［］４－２］］。從上到下依次逡逑是微波頻段和光頻段的天線（ａ，ｂ）、波導(dǎo)（ｃ，，邋ｄ）、濾波器（ｅ，邋ｆ）、慢波結(jié)構(gòu)（ｇ，邋ｈ）。左逡逑側(cè)為微波器件，右側(cè)為對(duì)應(yīng)的光器件。逡逑

Ｃ邋６｜邋＋邋６２逡逑代入公式１－３，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于界面上的波矢夂而言，存在一個(gè)雙曲極限：逡逑當(dāng)似趨近于＝０／７＾時(shí)，夂趨近于無窮大。這個(gè)頻率被稱之為等離激元逡逑共振頻率。用類似的方法，我們也可以得出，ＴＥ模式的電磁場無法在界面中傳逡逑播。逡逑經(jīng)過以上的討論，我們得到了這樣一＇種圖像：在頻率以下，外部電磁場逡逑在界面上誘導(dǎo)了沿著界面向無窮遠(yuǎn)處傳播的ＳＰＰｓ。當(dāng)然，實(shí)際上金屬并不是理逡逑想的導(dǎo)體。由于金屬電阻的存在，ＳＰＰ在界面上衰減，不能傳播到無限遠(yuǎn)。逡逑無限大金屬界面中的ＳＰＰｓ不能由真空中傳播的電磁波激發(fā)。這一點(diǎn)可以從逡逑波矢匹配的角度來理解：ＳＰＰｓ的波矢大于真空中的電磁波波矢，由于動(dòng)量守恒逡逑原理的限制，真空中傳播的電磁波實(shí)際上并不能直接激發(fā)ＳＰＰｓ，因此需要引入逡逑一些特殊的結(jié)構(gòu)，以提供額外的動(dòng)量［３３，邋４１，４２Ｊ。逡逑ａ邐ｂ４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2613980