本文選題：光柵 + 表面等離子體��； 參考：《合肥工業(yè)大學》2017年碩士論文

【摘要】：近些年來,表面等離子體器件已經(jīng)成為學術(shù)研究的一個重要研究方向和熱點。這種等離子器件在光場調(diào)控、生物傳感和光學緩存等方面有著重要的應用前景。傳統(tǒng)的表面等離子體的激發(fā)方式如棱鏡耦合、波導耦合、近場激發(fā)等都有著許多不足之處,阻礙了其在光學方面的發(fā)展和應用。而光柵耦合的方式,由于其結(jié)構(gòu)尺寸小、易集成、可精確設計控制等,逐漸成為復合型等離子器件的最佳選擇。本文根據(jù)等離子體相關(guān)理論并借助FDTD數(shù)值仿真方法重點研究基于光柵的等離子體復合器件的相關(guān)特性及應用。具體研究內(nèi)容如下:(1)提出了一種基于金屬光柵陣列的多光譜、空間選擇性的等離子體傳感器。通過適當?shù)卣{(diào)整金屬光柵陣列的幾何參數(shù),可以選擇性地在結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域激發(fā)相應的等離子體模式來得到增強的光場。模擬結(jié)果顯示,這些共振模式可以同時在結(jié)構(gòu)的不同空間位置及不同波長下實現(xiàn)。當生物分子薄膜吸附在光柵內(nèi)壁時,共振峰有相對大的紅移(57nm),相應的強度差也比在金屬表面增強近10倍。此外,當單層BSA蛋白分子吸附在光柵內(nèi)壁時,通過調(diào)整內(nèi)壁寬度可以得到超過80nm的移動。這些結(jié)果表明我們所設計的結(jié)構(gòu)可以作為具有空間和頻譜選擇特性的生物傳感器。(2)設計了一種基于增益補償作用的金屬光柵高效折射率傳感器。通過分析發(fā)現(xiàn)金屬歐姆損失效應阻礙了納米光柵陣列EOT效率的提高。為了補償金屬的固有損耗,我們提出了將金屬結(jié)構(gòu)嵌入摻有非線性活性增益物質(zhì)的媒介中。當增益效率達到相應的閾值時,共振峰λ2對應的品質(zhì)因素FOM*可以達到39100。這種對環(huán)境折射率變化具有超高靈敏度的增益光柵結(jié)構(gòu)將在生物醫(yī)學及環(huán)境探測等方面有廣闊的應用。(3)提出了一種基于介質(zhì)光柵的新型石墨烯等離子體系統(tǒng)。文中系統(tǒng)地研究了石墨烯-漸進硅光柵結(jié)構(gòu)上SPP的局域效應與光學特性。理論及數(shù)值結(jié)果表明,在一個寬帶范圍內(nèi),不同頻率的SPP波將被局域在石墨烯表面的不同位置,可以應用為寬帶光譜儀�；诖死碚�,我們預測了不同頻率SPP波在結(jié)構(gòu)表面的局域位置及相應的群速度。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)柵壓,局域的SPP波可以被釋放并繼續(xù)在石墨烯表面?zhèn)鞑セ驈慕Y(jié)構(gòu)末端輸出。接著文中繼續(xù)研究了該慢光系統(tǒng)的開光特性,結(jié)果表明只需調(diào)整柵壓大小就可動態(tài)地控制光開光的“開”和“關(guān)”。
[Abstract]:In recent years, surface plasma devices have become an important research direction and hot spot in academic research. This kind of plasma device has important applications in light field control, biosensor and optical buffer. Traditional surface plasma excitation methods such as prism coupling waveguide coupling and near-field excitation have many shortcomings which hinder their development and application in optics. Because of its small size, easy integration, precise design and control, grating coupling has gradually become the best choice for composite plasma devices. Based on plasma correlation theory and FDTD numerical simulation method, this paper focuses on the characteristics and applications of grating-based plasma recombination devices. A multispectral and spatially selective plasma sensor based on metal grating array is proposed. By adjusting the geometric parameters of the metal grating array appropriately, the enhanced light field can be obtained by selectively exciting the corresponding plasma modes in different regions of the structure. The simulation results show that these resonant modes can be realized simultaneously at different spatial positions and different wavelengths of the structure. When the biomolecular film is adsorbed on the inner wall of the grating, the resonance peak has a relatively large red shift of 57 nm, and the corresponding intensity difference is nearly 10 times higher than that on the metal surface. In addition, when the monolayer BSA protein molecules are adsorbed on the inner wall of the grating, the inner wall can be shifted over the 80nm by adjusting the width of the inner wall. These results show that the structure we designed can be used as a biosensor with spatial and spectrum selection characteristics. A metal grating high efficiency refractive index sensor based on gain compensation is designed. It is found that the metal ohmic loss effect hinders the improvement of EOT efficiency of nanocrystalline grating arrays. In order to compensate for the inherent loss of metals, we propose to embed metal structures into media with nonlinear active gain materials. When the gain efficiency reaches the corresponding threshold, the quality factor FOM * corresponding to the resonance peak 位 2 can reach 39100. A novel graphene plasma system based on dielectric grating is proposed, which has high sensitivity to environmental refractive index change and will be widely used in biomedicine and environmental detection. In this paper, the local effect and optical properties of SPP on graphene-progressive silicon grating structure are systematically studied. The theoretical and numerical results show that in a wide band range, SPP waves with different frequencies will be localized at different positions on the surface of graphene and can be used as wideband spectrometers. Based on this theory, we predict the local positions of SPP waves with different frequencies on the structural surface and the corresponding group velocities. By adjusting the gate voltage appropriately, the localized SPP wave can be released and continue to propagate on the surface of graphene or output from the end of the structure. Then the open characteristics of the slow light system are studied. The results show that the "open" and "turn" of the light can be dynamically controlled by adjusting the gate voltage.
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN25;TP212

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本文編號：1970346