發(fā)布時(shí)間：2020-07-12 03:58

【摘要】：隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展,光子器件在信息傳輸、處理及存儲方面的應(yīng)用需求越發(fā)重要。然而,由于光學(xué)衍射極限的限制,傳統(tǒng)的光子器件尺寸一般只能在微米量級,無法實(shí)現(xiàn)與納米尺度的電子器件匹配集成,因此能夠突破光學(xué)衍射極限的亞波長光子器件成為當(dāng)前光學(xué)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)光子器件的尺寸縮至亞波長量級時(shí),會表現(xiàn)出眾多新奇的現(xiàn)象和特性,在光信號的傳輸機(jī)制、場空間局域和增強(qiáng)特性以及光作用力等方面與傳統(tǒng)光子器件區(qū)別顯著,具有極大的研究探索價(jià)值。表面等離激元是目前實(shí)現(xiàn)亞波長尺度光子器件的主要研究方向之一,它可突破光學(xué)衍射極限,實(shí)現(xiàn)亞波長尺度下對光的傳輸與調(diào)控�；诒砻娴入x激元新穎的光學(xué)特性,許多新型亞波長功能性光子器件被提出,這些器件在全光集成芯片、生物化學(xué)傳感、太陽能光伏增效和表面增強(qiáng)光譜等眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。因此,開展亞波長等離激元器件的設(shè)計(jì)與測試研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文的研究目的在于探索研究亞波長尺度下的表面等離激元光子器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)特性研究,分為基于可傳輸?shù)谋砻娴入x極化激元波導(dǎo)的光子器件和基于局域表面等離激元共振的光子器件兩部分。一方面探索基于表面等離極化激元效應(yīng)的光波導(dǎo)的傳輸特性,在此基礎(chǔ)上,研究基于亞波長等離激元波導(dǎo)的諧振器件的光學(xué)傳輸特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化;另一方面探索基于局域表面等離激元共振的金屬微納結(jié)構(gòu)和器件的制備技術(shù)、光譜特性、散射增強(qiáng)特性和納米尺度的觀測方法。具體研究工作介紹如下:(1)設(shè)計(jì)并研制了基于聚合物介質(zhì)條載結(jié)構(gòu)的表面等離激元波導(dǎo)和微環(huán)諧振腔器件。首先通過建立數(shù)值仿真模型,研究了這種亞波長等離激元波導(dǎo)的模式特性。進(jìn)而探索了該種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)制備工藝技術(shù)和其光學(xué)特性的測試方法,完成了波導(dǎo)的制備與測試分析。在實(shí)驗(yàn)上重點(diǎn)研究了波導(dǎo)在紅外波段的光傳輸特性、偏振特性以及傳輸損耗特性。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔,結(jié)合理論計(jì)算分析了其諧振特性,得到了該等離激元微環(huán)諧振腔的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。該波導(dǎo)微環(huán)諧振腔具有單偏振特性和高Q值,可解決目前光波導(dǎo)諧振腔無法實(shí)現(xiàn)自身單一偏振態(tài)的瓶頸問題,在高精度傳感領(lǐng)域等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。(2)基于局域表面等離激元共振特性,設(shè)計(jì)了一種非對稱結(jié)構(gòu)的金納米環(huán)。結(jié)合三維有限元算法,研究了非對稱結(jié)構(gòu)的金納米環(huán)新穎的光學(xué)特性、LSPR特性和Fano共振特性。借助等離激元雜化模型等方法,對研究結(jié)果給出了有效物理機(jī)制解釋,研究結(jié)果表明,金納米環(huán)結(jié)構(gòu)對稱性破缺顯著影響Fano共振,通過改變金納米環(huán)對稱性破缺程度,可實(shí)現(xiàn)Fano共振的高度可調(diào)諧性。該非對稱金納米環(huán)結(jié)構(gòu)具有靈活的LSPR共振模式的可調(diào)諧性和局域電磁場增強(qiáng)特性,在表面增強(qiáng)光譜、生物傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。(3)基于暗場顯微鏡,設(shè)計(jì)了一套可用于觀測納米尺度顆粒的成像測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)觀測尺寸為20 nm以上的金屬納米顆粒的行為并進(jìn)行成像。在此基礎(chǔ)上,研究了納米單顆粒的光譜測試方法。實(shí)驗(yàn)研究了金納米柱陣列的制備方法,并分析了其LSPR特性。發(fā)現(xiàn)金納米柱陣列展現(xiàn)出良好的反射帶阻濾波特性,同時(shí)也驗(yàn)證該暗場成像系統(tǒng)的可行性。上述研究為金屬納米顆粒的微觀表征與測試提供了可行的方法,為后續(xù)開展各種亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)和器件的納米尺度觀測和光譜研究工作提供了有效的技術(shù)手段和實(shí)驗(yàn)平臺。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN15
【圖文】：

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文等離極化激元等離極化激元是外部電磁場誘導(dǎo)金屬中的自由電子發(fā)生集體共振，從介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)碾姶耪袷幉�，如圖 1-1 所示[1]。在金屬-介質(zhì)界面電子著外界電磁場的振動而向前傳播，其電場強(qiáng)度沿垂直界面方向呈指數(shù)逝場分布，所以可突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限的限制。由于金屬材料本身表面等離極化激元只能傳輸一定的距離，不能無限遠(yuǎn)的傳輸。表面等量大于自由傳播的電磁波的波矢，因此不能在空間中自由傳播，所以構(gòu)來激發(fā)。

極化激元[1]。（a）金屬－介質(zhì)材料界面處的 SPs 示意圖，（b）垂直場強(qiáng)度分布。著光子器件及相互關(guān)聯(lián)光路的特征尺寸向亞波長和納米成為最有希望將光信息局域在亞波長尺度上傳輸、調(diào)控的片、光傳感、光探測等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。亞是表面等離極化激元波導(dǎo)，許多新穎的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出，發(fā)、傳輸和調(diào)控等方面的研究逐漸深入。(a) (b)

圖 1.3 銀納米線波導(dǎo)遠(yuǎn)場激勵圖[3]。屬（Metal-Insulator-Metal，MIM）結(jié)構(gòu)的。2006 年丹麥奧爾堡大學(xué) Bozhevolnyi 等等離極化激元波導(dǎo)，如圖 1.4 所示[8]。這 V 形溝槽中進(jìn)行傳輸，光強(qiáng)密度極高。但傳輸損耗較大傳輸距離短，一般只能傳寸之間存在強(qiáng)烈的制約關(guān)系。

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