表面等離激元共振是材料表面自由電子在外部入射光場(chǎng)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(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)特征,使其在生物傳感、單分子探測(cè)、納米光刻等方面有著廣泛的應(yīng)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(yīng)用方面,本文分別研究了等離激元尺子、表面增強(qiáng)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(dǎo)體表面激發(fā)表面等離激元,導(dǎo)致光場(chǎng)強(qiáng)度周期分布和能量的周期沉積,形成了亞波長(zhǎng)周期條紋。本文取得的主要研究成果如下:（1）設(shè)計(jì)了一個(gè)基于三聚體納米結(jié)構(gòu)的Fano共振等離激元尺子,它由一個(gè)同心方形環(huán)盤和一個(gè)外部的納米立方組成。通過(guò)調(diào)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(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng),研究了納米結(jié)構(gòu)不同等離激元模式的耦合、Fano共振強(qiáng)度、線寬和對(duì)比度。結(jié)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(cè)靈敏度提高了20-80倍,能實(shí)現(xiàn)外部納米立方平移1?和轉(zhuǎn)動(dòng)1o的高精度測(cè)量。（2）拉曼光譜提供分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等信息,被稱為“分子指紋”,廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。表面增... 

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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(chǎng)相互作用,產(chǎn)生沿表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?圖1.2(b)),這些實(shí)際上是因?yàn)楣馀c導(dǎo)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(guò)與入射光波共振而發(fā)生的集體響應(yīng),并形成了其獨(dú)特的性質(zhì)。圖1.3(a)為在介電常數(shù)分別為的介質(zhì)夾層中間的金屬薄膜上產(chǎn)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(chǎng)強(qiáng)度隨著離金屬表面的距離增加而指數(shù)衰減。圖1.3(b)中給出的是金屬薄膜與介質(zhì)1的界面以及金屬薄膜與介質(zhì)s的界面上的等離激元色散曲線,圖中直線表示光在介質(zhì)1和介質(zhì)s中色散曲線。對(duì)于單一的金屬、介質(zhì)界面,若εM>ε1(其中εM代表金屬的介電常數(shù),ε1為電介質(zhì)為空氣時(shí)的介電常數(shù)),光直接從空氣中入射到金屬,此時(shí)將無(wú)法激發(fā)傳播表面等離激元。但另一方面,因?yàn)楣庠诮橘|(zhì)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(diǎn),那么可以通過(guò)從玻璃中入射來(lái)匹配金屬/介質(zhì)1界面的等離激元波矢,從而激發(fā)金屬/介質(zhì)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(qiáng)調(diào)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(jìn)展及應(yīng)用

金屬納米結(jié)構(gòu)等離激元增強(qiáng)特征在二次諧波及高次諧波的產(chǎn)生、熒光信號(hào)增強(qiáng)、拉曼信號(hào)激發(fā)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[34-36]。同時(shí)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(xué)器件的性能,學(xué)術(shù)界提出在等離激元光學(xué)器件中添加增益介質(zhì)的方法,利用增益介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)放大的特性來(lái)彌補(bǔ)金屬結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了表面等離激元受激輻射放大[39,40]。這一現(xiàn)象迅速引起了廣泛的關(guān)注,隨后Nezhad小組和李志遠(yuǎn)小組均在金屬納米結(jié)構(gòu)中通過(guò)增加增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了表面等離激元的共振增強(qiáng)效應(yīng)[41,42],為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)單分子的拉曼信號(hào)提供了一種新的途徑。李志遠(yuǎn)等人在研究中還發(fā)現(xiàn)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(guān),并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金納米棒的閾值遠(yuǎn)低于金納米球的閾值。通常,由于環(huán)境的物理和化學(xué)性質(zhì)變化對(duì)等離激元共振波長(zhǎng)的影響很大,例如可能萬(wàn)分之一的背景媒質(zhì)的折射率改變,會(huì)引起幾個(gè)納米的共振波長(zhǎng)的移動(dòng)�；诖颂卣�,高靈敏度的生物和化學(xué)傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái),并在科研和工業(yè)上進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】：
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?jiān)姲?孫真榮,賈天卿.  Chinese Optics Letters. 2017(02)



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