【摘要】：通過(guò)構(gòu)造金屬微納結(jié)構(gòu),利用其獨(dú)特的表面等離激元共振特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)周圍的局域態(tài)密度,提高熒光分子的輻射效率,在空間上和光譜上實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光輻射的調(diào)控,一直是微納光子學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的問題之一。由納米尺寸單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超薄二維陣列平面——電磁超表面(Metasurface),可以在亞波長(zhǎng)尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波位相、振幅、偏振的有效操控,繼而設(shè)計(jì)出具有多種功能的集成光學(xué)元器件近年來(lái),超表面特性研究受到了廣泛的關(guān)注。但是,利用超表面的電磁響應(yīng)調(diào)控?zé)晒廨椛涮匦?以實(shí)現(xiàn)有源器件的設(shè)計(jì),目前才剛剛起步。金屬微納結(jié)構(gòu)超表面因其超薄的特性可有效降低由金屬材料本身所造成的內(nèi)部損耗,同時(shí)保有表面等離激元高度局域的特性,在熒光調(diào)控方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。本論文在此基礎(chǔ)上,考慮將磁響應(yīng)模式引入熒光輻射調(diào)控,提出了支持多種電磁共振模式的金屬-介質(zhì)-金屬(MDM)復(fù)合超表面,研究了其模式特性、場(chǎng)增強(qiáng)特性、熒光輻射調(diào)控特性,為超表面在納光源、熒光光譜學(xué)等方面應(yīng)用提供了新的角度和視野。主要研究工作如下:1.設(shè)計(jì)制備了在可見光波段同時(shí)擁有多種電磁共振模式的金屬-介質(zhì)-金屬(MDM)漁網(wǎng)超表面。通過(guò)建立電感(L)-電容(C)等效回路模型,結(jié)合FDTD數(shù)值計(jì)算方法,在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸改變對(duì)模式共振位置的影響。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了偏振控制的出射光譜可調(diào)器件,可有效實(shí)現(xiàn)偏振可控的濾色片或偏振敏感的傳感器。2.基于以上結(jié)構(gòu)中的局域電模式(LSP mode)和磁模式(MPP mode)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)高效地局域在納米間隔層內(nèi)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)制備了熒光激發(fā)和輻射效率雙增強(qiáng)的有源MDM漁網(wǎng)超表面。通過(guò)精確設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸大小,使得兩種模式的共振位置分別與熒光分子的吸收和輻射峰相匹配,并利用模場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域重疊且偏振依賴的性質(zhì),實(shí)現(xiàn)了偏振依賴的空間選擇性激發(fā)和增強(qiáng)熒光發(fā)光,有效調(diào)控?zé)晒廨椛涮匦�。受調(diào)制后的熒光輻射表現(xiàn)出具有偏振性以及定向輻射性。該器件的設(shè)計(jì)為在可見光波段實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)和偏振可調(diào)節(jié)的發(fā)光器件提供了很有意義的指導(dǎo)。3.根據(jù)以上研究,考慮到大片金屬膜對(duì)熒光輻射的吸收以及對(duì)模式的干擾,我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)制作了熒光輻射效率更高、模式更便于調(diào)節(jié)、可選擇波長(zhǎng)范圍更廣的有源MDM顆粒超表面�；诔砻鏄O化張量計(jì)算以及FDTD理論模擬,設(shè)計(jì)出了雙模式共振同質(zhì)、異質(zhì)顆粒超表面。并制備了 LSP和MPP模式雙共振的MDM顆粒超表面,可實(shí)現(xiàn)熒光輻射的雙增強(qiáng)。改變結(jié)構(gòu)尺寸,研究了模式特性和熒光輻射特性,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)排除了周期模式的影響后,熒光輻射波長(zhǎng)可調(diào)控范圍明顯增大。本文的創(chuàng)新點(diǎn):1.構(gòu)造MDM超表面將磁響應(yīng)模式引入到熒光輻射調(diào)控中。建立了一個(gè)LC等效電路模型用以描述MDM漁網(wǎng)超表面中MPP模式共振特點(diǎn)。建立模型得到的磁共振波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果符合很好,平均相對(duì)誤差小于1.5%。該模型簡(jiǎn)潔、合理且有效,可從新的角度更深層次地分析和理解納米尺度下復(fù)合漁網(wǎng)超表面中MPP的模式特性。2.系統(tǒng)地分析了 MDM漁網(wǎng)超表面中支持的多種電磁共振模式(MPP、LSP和SPP-BW(周期模式))的模式特性及共振位置的可調(diào)性。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)給出了模式共振位置隨尺寸改變的變化規(guī)律,證明MPP比其它兩種模式具有更敏感、更易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。并基于以上研究結(jié)果設(shè)計(jì)了偏振控制的出射光譜可調(diào)器件。3.利用MDM漁網(wǎng)和顆粒超表面中支持的LSP和MPP模式能夠?qū)⒐鈭?chǎng)高效地局域在納米間隔層內(nèi)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)制備了熒光激發(fā)和輻射效率雙增強(qiáng)的有源MDM漁網(wǎng)和顆粒超表面,在可見光波段實(shí)現(xiàn)了偏振依賴的空間選擇性激發(fā)熒光發(fā)光,以及依賴于縱向耦合MPP模式的熒光出射光譜、偏振、角度調(diào)控。
【圖文】：

離激元共振的影響［１１］，首次正確解釋了邋Ｗｏｏｄ異常。１９５６年，Ｐｉｎｅｓ在理論析了電子能量在金屬電子氣中的衰減特性，將這種金屬中產(chǎn)生的集體電子振義為“Ｐｌａｓｍｏｎ”，，與等離子體（Ｐｌａｓｍａ）區(qū)別開。１９５７年，Ｒｉｔｃｈｉｅ指出從電量損失譜中可以觀測(cè)到金屬表面等離激元共振［１２］。這種諧振模式被稱為“表離激元（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＰｏｌａｒｉｔｏｎｓ，邋ＳＰＰｓ）邋”，用來(lái)表不金屬（Ｐｌａｓｍｏｎ）和介Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）分別對(duì)模式的貢獻(xiàn)。１９６０年，Ｓｔｅｍ和Ｆｅｒｒｅｌｌ根據(jù)電磁場(chǎng)理論，了通用的金屬膜表面等離激元色散方程。ＳＰＰ的色散特性受到了一致認(rèn)可９８年，Ｅｂｂｅｓｅｎ等研宄指出金屬亞波長(zhǎng)孔陣在某些特定波長(zhǎng)處會(huì)出現(xiàn)異常透ＥｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＥＯＴ）邋［１３］，預(yù)不著傳統(tǒng)光學(xué)的衍射效應(yīng)在長(zhǎng)尺度被打破，奠定了光子集成和超衍射光的發(fā)展基礎(chǔ)［１４，１５］，標(biāo)志著表面激元光子學(xué)這一新興學(xué)科的形成。逡逑１．１介質(zhì)－金屬表面處的表面等離激元逡逑ＳＰＰ是一種產(chǎn)生在介質(zhì)－金屬界面處的表面電磁波。它沿著界面?zhèn)鞑�，電度在垂直于界面方向呈指�?shù)衰減，如圖１．１所示。逡逑

Ｐ為一個(gè)復(fù)數(shù)，它的虛部與ＳＰＰ的傳播損耗有關(guān)。因此，減小介質(zhì)和金屬介電常逡逑數(shù)的虛部可以降低波的傳播損耗。逡逑圖１．２是半無(wú)限大空氣－金屬界面上的ＳＰＰ色散關(guān)系曲線。紅色曲線表示ＳＰＰ逡逑橫向波矢與頻率的關(guān)系，黑色斜線為光在空氣中的色散關(guān)系，水平虛線對(duì)應(yīng)的是逡逑表面等離激元諧振頻率６）ＳＰ。隨著ＳＰＰ橫向波矢的增大，光子頻率逐漸接近極大逡逑值邋６＞ｓｐ。逡逑，化呔／光錐線逡逑０邋ｆｃ0邐ｋｘ逡逑圖１．２半無(wú)限大空氣－金屬界面的ＳＰＰ色散關(guān)系逡逑１．１．２表面等離激元的光激發(fā)方式逡逑如圖１．２所示，對(duì)于ＴＭ模式入射的電磁波，ＳＰＰ橫向波矢分量大于相鄰介逡逑質(zhì)入射電磁波的波矢。因此，從介質(zhì)入射的電磁波無(wú)法直接激發(fā)光滑金屬表面的逡逑ＳＰＰ，需要通過(guò)設(shè)計(jì)一些補(bǔ)償機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)ＳＰＰ光激發(fā)。逡逑１．全內(nèi)反射（ＡＴＲ）法逡逑這種激發(fā)方式利用光子隧穿效應(yīng)，在高折射率介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生全內(nèi)反射，產(chǎn)生逡逑的倏逝波激發(fā)ＳＰＰ。利用全內(nèi)反射激發(fā)ＳＰＰ的結(jié)構(gòu)可以分為兩種：一種是逡逑Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ邋結(jié)構(gòu)［１６］
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4

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本文編號(hào)：2615596