【摘要】：材料本身和衍射極限問題限制了傳統(tǒng)光學器件的微型化和集成化應(yīng)用。表面等離激元的出現(xiàn),為微納米尺寸下實現(xiàn)光的操控提供了可能。表面等離激元是在光激發(fā)下金屬納米結(jié)構(gòu)中的自由電子氣集體振蕩,既可以突破光學衍射極限,又能實現(xiàn)局域場的高度集中。本文基于表面等離激元突破衍射極限的性質(zhì),設(shè)計了一種石墨烯夾層長程等離子波導結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,提出了多層石墨烯聚合波導TM偏振器。與此同時,利用表面等離激元的局域電場增強特性,設(shè)計了新型Au納米立方體表面增強拉曼散射(SERS)基底。最后對金屬納米結(jié)構(gòu)的局域電場增強進行了研究。首先,本文對二維材料石墨烯的光學參數(shù)與費米能級之間的變化關(guān)系作了系統(tǒng)分析。通過外加電壓或者摻雜等手段調(diào)節(jié)其費米能級來實現(xiàn)石墨烯光學性質(zhì)的變化,當費米能級滿足一定條件時,石墨烯表現(xiàn)出金屬材料的性質(zhì),能夠支持等離激元。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于石墨烯材料的等離激元波導,并分析了緩沖層厚度、介質(zhì)脊寬度及介質(zhì)脊高度對于模式有效折射率、衰減常數(shù)、模式寬度、品質(zhì)因子等物理參數(shù)的影響,實現(xiàn)了波導幾何結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化。此外,當兩個相同的波導逐漸靠近時,其可以產(chǎn)生耦合作用,構(gòu)成定向耦合器。并分析了耦合器的耦合長度與波導間距的關(guān)系。然后,利用石墨烯光電效應(yīng),在石墨烯夾層波導的基礎(chǔ)上,研究了多層石墨烯聚合物波導,并用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種光學器件:TM偏振器。偏振器由介質(zhì)脊中插入多層石墨烯及氮化硅構(gòu)成。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能參數(shù)分析,進而得到具有寬帶寬、高消光比、低插入損耗的光學極化器。基于COMSOL Multiphysics軟件,對一些常見的表面增強拉曼散射(SERS)基底進行了電場增強的理論分析。分析了多種Au納米結(jié)構(gòu)電場增強與激發(fā)波長之間的關(guān)系,不同金屬結(jié)構(gòu)的局域電場增強與入射波長、納米間隙之間的關(guān)系十分密切。發(fā)現(xiàn)當金納米球間距發(fā)生變化時,納米球之間的電場增強因子會發(fā)生變化,其共振波長也會發(fā)生偏移。不同的金屬結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最佳激發(fā)波長及變化規(guī)律也不同。因此,在實驗過程中,應(yīng)該根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的不同,選擇合適的激發(fā)波長以獲得最佳的增強效果。此外,對Au納米棒體結(jié)構(gòu)的電場增強因子與激發(fā)方式的關(guān)系進行了分析。最后,設(shè)計了一種新型金納米立方體微陣列結(jié)構(gòu)SERS基底,理論分析了粒子間距與激發(fā)波長、增強因子之間的關(guān)系。理論分析表明,與傳統(tǒng)的SERS基底相比,納米立方體陣列結(jié)構(gòu)的電場增強均勻性很好。
【圖文】：

( ) = 2 2 2 2 ( ) = 2 ( 2 2)當 時， ( )為復數(shù)，其實部 ( )表示極化強度的大小，虛部 表金屬的吸收。當電磁波在金屬中傳輸時，金屬的吸收作用會使得光波衰而限制了電磁波傳播距離；相反，當 ， ( )為實數(shù)。此時，表面等體波能夠在金屬中無損耗地傳播。然而隨著電磁波頻率的逐漸增加，金屬的率能將逐漸變小，宏觀上表現(xiàn)出其導電性能變?nèi)�，這是由于束縛電荷所致1.2 局域表面等離激元除金屬平面之外，納米結(jié)構(gòu)也可以形成表面等離激元。對于金屬納米顆言，在光波照射下，粒子上的電子云因入射光場的作用而發(fā)生集體震動，生表面等離激元。考慮到金屬納米顆粒的粒徑只有幾十納米，其尺寸遠小于波長，因此金屬的趨膚深度可以忽略。此時在金屬納米顆粒表面形成的表面激元也可被稱為局域表面等離激元（如圖 2-1 所示）。

圖 2-2 亞波長顆粒的準靜態(tài)電學響應(yīng)在一階近似條件下，金屬球內(nèi)外的電位函數(shù) ， 可表示為 ( ) = ￡§ (2.16 a ( ) = ￡§ 2 ￡§ (2.16 這里，， = √ ，其中 A 和 B 表示電位函數(shù)系數(shù)。為了能夠求解拉普拉斯方程 = , 和 需要滿足以下關(guān)系式 ( ) = ( ) (2.17 a = ( ) (2.17 b通過求解式 2.17，可得 A 和 B 分別為 = ( ( ) ) (2.18 = ( ( ) ( ) ) (2.18 b聯(lián)立式 2.16 和式 2.18，可得 和 分別為 ( ) = ( ) ￡§ (2.19
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;O657.37

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本文編號：2698344