發(fā)布時(shí)間：2021-01-15 22:25

　　近幾十年來(lái),表面等離激元光子學(xué)作為一門(mén)新興的學(xué)科,其在物理、生物、化學(xué)、能源、環(huán)境等交叉領(lǐng)域中的潛力正在逐步被發(fā)掘。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,集成電路微型化的需求愈發(fā)高漲,衍射極限也愈發(fā)成為傳統(tǒng)光子器件往更小尺寸發(fā)展的主要限制因素,這成為制約集成電路芯片微型化的一大瓶頸,卻也正是基于等離激元的新型光子器件的一大機(jī)遇。在這技術(shù)更迭的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn),表面等離激元正以其獨(dú)特的光學(xué)特性為我們開(kāi)啟了通往片上光通信的高速列車(chē),為未來(lái)邁入量子信息時(shí)代提供了可靠的技術(shù)支撐。基于表面等離激元的有源和無(wú)源光子器件的研究具有劃時(shí)代的意義。本論文詳細(xì)調(diào)研了本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)研究基于表面等離激元的納米激光器和傳感器的應(yīng)用,并取得了以下成果:（1）設(shè)計(jì)并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了一種新型的近似等離激元激光器的光源輸出。在這一光源模型中,我們采用了銀納米棒-間隙層-硒化鎘納米帶的MIS復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在單個(gè)納米顆粒的尺度下實(shí)現(xiàn)三維局域的近似等離激元納米激光器的輻射輸出。其中,銀納米棒作為等離激元諧振腔提供局域的電磁場(chǎng)束縛能力,而硒化鎘納米帶作為增益介質(zhì)用以補(bǔ)償銀納米棒內(nèi)部的歐姆損耗。與此同時(shí),硒化鎘納米帶光波導(dǎo)本身在泵浦激發(fā)... 

【文章來(lái)源】：武漢大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：88 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１電驅(qū)動(dòng)的等離激元光電二極管與光分束、光路由和定向耦合等光器件集成的亞波長(zhǎng)??［１５］

縱波的形式在金屬一介質(zhì)界面上傳播的表面等離極化激元（Ｓｕｒｆａｃｅ?Ｐｌａｓｍｏｎ??Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）和束縛在金屬結(jié)構(gòu)附近的局域表面等離激兀（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ?Ｓｕｒｆａｃｅ??Ｐｌａｓｍｏｎｓ，ＬＳＰｓ），這三種表現(xiàn)形式的不意圖如圖２．１所不。當(dāng)光入射到金屬中??時(shí)，會(huì)引發(fā)金屬內(nèi)部的體等離子體振蕩，而當(dāng)金屬存在一定的邊界時(shí)，例如金??屬電介質(zhì)的交界面或金屬納米顆粒幾何形狀構(gòu)成的邊界等，入射光場(chǎng)將與金屬??中的等離子體振蕩模式發(fā)生耦合，形成新的振蕩模式——傳播的表面等離子體??振蕩或局域表面等離體振蕩。??？？４－？－＞？－４－？?—?—?／?／??一＋十一＋十?：」??一令十＿？？令＠??圖２．１?（ａ）體等離子體振蕩；（ｂ）傳導(dǎo)表面等離子體振蕩；（ｃ）局域表面等離子體振蕩。??金屬表面電荷的集體振蕩與入射電磁場(chǎng)之間的相互作用使得表面等離激??元具有很多獨(dú)特的光學(xué)特性，例如，它能夠?qū)㈦姶艌?chǎng)局域在亞波長(zhǎng)的尺度內(nèi)，??極大地增強(qiáng)局域的電場(chǎng)強(qiáng)度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)程傳播及遠(yuǎn)場(chǎng)激發(fā)。這些性質(zhì)使??得表面等離激元在很多學(xué)科領(lǐng)域均有不俗的表現(xiàn)，例如：增強(qiáng)熒光、表面增強(qiáng)??拉曼、表面等離激元共振傳感、增強(qiáng)光伏、納米激光器等。??在接下來(lái)的幾個(gè)小節(jié)中，我們將從描述自由電子氣介電響應(yīng)的Ｄｒｕｄｅ模型??出發(fā)

２．１．３表面等離檄元的色散關(guān)系及其特征長(zhǎng)度??ＳＰｓ的頻率與波矢的色散關(guān)系由（心）描述，它的電磁場(chǎng)同時(shí)具有橫向與縱??向的分量，如圖２．２所示。當(dāng)ＴＭ偏振的光波入射到圖中所示的金屬電介質(zhì)界??面時(shí)，會(huì)在該界面處激發(fā)表面電荷的集體振蕩，即ＳＰｓ，它同時(shí)具有電磁波和??表面電荷的特征。正如一般的表面波，ＳＰｓ表現(xiàn)為縱波形式，且沿著表面?zhèn)鞑ィ??在ｚ?＝?０處場(chǎng)強(qiáng)最大。由于ＳＰｓ的非福射特性使得能量無(wú)法從界面外溢出去，??它的場(chǎng)強(qiáng)在沿著ｚ軸遠(yuǎn)離界面的方向上呈指數(shù)衰減，我們將這種縱向的電場(chǎng)從??本質(zhì)上稱(chēng)作是倏逝場(chǎng)或近場(chǎng)。??（ａ）＊?（ｂ）廣??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ??／．?１?�。牛椋�??＋?奪?＋??—?＋?＋?＋?—?—?—?＋?＋?＋??Ｅｍ?Ｍｅｔａｌ??圖２．２?（ａ）半無(wú)限大金屬／電介質(zhì)界面ＳＰｓ的電磁場(chǎng)及表面電荷分布；（ｂ）?ＳＰｓ在ｚ方向??上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖片引自文獻(xiàn)［１６］。??在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下對(duì)麥克斯韋方程組求解，會(huì)得到ＳＰｓ的頻率與波矢的??色散關(guān)系：??ＣＯ?Ｉ??ｋｓｖ＝－?－?（２－１１）??Ｐ?ｃ＾ｄ?＋?ｅｍ?＾?Ｊ??式中為介質(zhì)材料的介電常數(shù)，為自由空間波矢。式中￣和Ｑ為實(shí)數(shù)，??為復(fù)數(shù)，從而可以得到色散關(guān)系的復(fù)數(shù)表達(dá)形式??（２－１２）??


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