表面等離激元共振是材料表面自由電子在外部入射光場的作用下,在材料表面形成的一種表面束縛電磁波。因其具有很強的局域場增強特征,使其在生物傳感、單分子探測、納米光刻等方面有著廣泛的應用前景。表面等離激元主要分為局域表面等離激元和傳播表面等離激元兩類。在局域表面等離激元的特性與應用方面,本文分別研究了等離激元尺子、表面增強拉曼光譜的超快選擇激發(fā)。在傳播表面等離激元方面,研究了飛秒激光在半導體表面激發(fā)表面等離激元,導致光場強度周期分布和能量的周期沉積,形成了亞波長周期條紋。本文取得的主要研究成果如下:（1）設計了一個基于三聚體納米結構的Fano共振等離激元尺子,它由一個同心方形環(huán)盤和一個外部的納米立方組成。通過調節(jié)同心環(huán)盤和外立方體的間隙,或者固定外立方體中心進行定軸轉動,研究了納米結構不同等離激元模式的耦合、Fano共振強度、線寬和對比度。結果表明,與普通等離激元共振相比,這種Fano共振等離激元尺子的探測靈敏度提高了20-80倍,能實現外部納米立方平移1?和轉動1o的高精度測量。（2）拉曼光譜提供分子的振動、轉動等信息,被稱為“分子指紋”,廣泛應用于化學、物理學、生物學和醫(yī)學等領域。表面增... 

【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：134 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖1.2兩種類型的表面等離激元:(a)金屬納米球支持的局域表面等離激元(LSPs);(b)金屬納米線支持的傳播表面等離激元(PSPs)[13]。

在傳播表面等離激元中,金屬中的自由電子與外加激發(fā)電磁場相互作用,產生沿表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?圖1.2(b)),這些實際上是因為光與導體中自由電子相互作用而被禁錮在金屬表面?zhèn)鞑サ牟?是金屬中的自由電子通過與入射光波共振而發(fā)生的集體響應,并形成了其獨特的性質。圖1.3(a)為在介電常數分別為的介質夾層中間的金屬薄膜上產生的傳播表面等離激元的示意圖,傳播表面等離激元的電場強度隨著離金屬表面的距離增加而指數衰減。圖1.3(b)中給出的是金屬薄膜與介質1的界面以及金屬薄膜與介質s的界面上的等離激元色散曲線,圖中直線表示光在介質1和介質s中色散曲線。對于單一的金屬、介質界面,若εM>ε1(其中εM代表金屬的介電常數,ε1為電介質為空氣時的介電常數),光直接從空氣中入射到金屬,此時將無法激發(fā)傳播表面等離激元。但另一方面,因為光在介質s中的色散曲線與金屬/空氣界面的等離激元色散曲線有交點,那么可以通過從玻璃中入射來匹配金屬/介質1界面的等離激元波矢,從而激發(fā)金屬/介質1中的等離激元。圖1.3(b)中的插圖是利用“Kretchman”模型激發(fā)的傳播表面等離激元的示意圖[14]。這里需要強調的是激發(fā)傳播表面等離激元的入射光通常是P型偏振光,S型偏振光不能有效激發(fā)傳播表面等離激元。1.1.2 表面等離激元的研究進展及應用

金屬納米結構等離激元增強特征在二次諧波及高次諧波的產生、熒光信號增強、拉曼信號激發(fā)等方面具有廣泛的應用前景[34-36]。同時為了克服金屬納米材料本身的光吸收,從而提高如傳播距離等光學器件的性能,學術界提出在等離激元光學器件中添加增益介質的方法,利用增益介質可以實現對光場放大的特性來彌補金屬結構材料本身的損耗[37,38]。Oulton小組和Noginov小組分別在金屬薄膜體系和金球納米顆粒中實現了表面等離激元受激輻射放大[39,40]。這一現象迅速引起了廣泛的關注,隨后Nezhad小組和李志遠小組均在金屬納米結構中通過增加增益介質實現了表面等離激元的共振增強效應[41,42],為實現監(jiān)測單分子的拉曼信號提供了一種新的途徑。李志遠等人在研究中還發(fā)現納米顆粒的形狀與等離激元共振放大的增益閾值緊密相關,并實驗證實了金納米棒的閾值遠低于金納米球的閾值。通常,由于環(huán)境的物理和化學性質變化對等離激元共振波長的影響很大,例如可能萬分之一的背景媒質的折射率改變,會引起幾個納米的共振波長的移動�；诖颂卣�,高靈敏度的生物和化學傳感器已經被開發(fā)出來,并在科研和工業(yè)上進行了廣泛的應用。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Periodic surface structures on Ni–Fe film induced by a single femtosecond laser pulse with diffraction rings[J]. 周侃,賈鑫,郗慧霞,劉聚坤,馮東海,張詩按,孫真榮,賈天卿.  Chinese Optics Letters. 2017(02)



本文編號：2920331