【摘要】：金屬光子結(jié)構(gòu)由于其中的表面等離激元特性而表現(xiàn)出新穎、豐富的光物理學(xué)響應(yīng),因此在表面增強(qiáng)拉曼散射、生物傳感器、激光器、光波導(dǎo)、光電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。高效、低廉和大面積的制備方法對(duì)于金屬納米光子結(jié)構(gòu)的光物理學(xué)研究與應(yīng)用具有非常重要的意義。同時(shí),金屬光子結(jié)構(gòu)中的等離激元不僅體現(xiàn)在局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),而且還具有超短的時(shí)間壽命,因此在超快全光開關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。本論文主要從三個(gè)方面研究了金屬光子結(jié)構(gòu)及等離激元的超快物理學(xué)性質(zhì):(1)研究具有低成本、高效率、大面積等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)的金屬納米結(jié)構(gòu)的制備方法,為相關(guān)物理學(xué)研究和光子器件的研制提供新手段。(2)研究三維金屬光柵結(jié)構(gòu)中的光子-雜化等離激元耦合模式的超快物理學(xué)過程,為超快光學(xué)開關(guān)器件的研制提供新方法。(3)研究金屬半球納米殼結(jié)構(gòu)中多極性等離激元的超快物理學(xué)過程及光學(xué)開關(guān)器件,為全光開關(guān)器件提供新的物理學(xué)思想和技術(shù)方法。重點(diǎn)包括以下內(nèi)容:(一)綜述了金屬光子結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀,以及等離激元光子結(jié)構(gòu)在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用,著重描述了等離激元超快光物理學(xué)過程及其在全光開關(guān)中的應(yīng)用,同時(shí)回顧了金屬光子結(jié)構(gòu)的多種制備方法。針對(duì)現(xiàn)有制備方法所存在的局限性,我們提出了具有低成本、高效率和大面積制備優(yōu)勢(shì)的新方法。(1)基于激光干涉灼蝕直寫技術(shù),研究了金膜中直寫金屬光子結(jié)構(gòu)過程中涉及的熱傳導(dǎo)問題。(2)利用光纖作為導(dǎo)光系統(tǒng),提出了柔性干涉灼蝕直寫方法,實(shí)現(xiàn)了大面積金屬光子結(jié)構(gòu)的制備。(3)利用光還原效應(yīng),提出了紫外光還原銀離子制備大面積金屬光子結(jié)構(gòu)的新方法。系統(tǒng)研究了制備過程中涉及的物理機(jī)理和影響因素。這些經(jīng)濟(jì)、高效的制備方法為金屬光子結(jié)構(gòu)物理學(xué)研究和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。(二)研究了三維金屬納米線光柵結(jié)構(gòu)的窄帶光譜學(xué)響應(yīng)特性。闡明了窄帶共振模式對(duì)應(yīng)的瑞利反常衍射與雜化型等離激元間的Fano耦合效應(yīng)。利用飛秒泵浦-探測(cè)技術(shù)研究了窄帶耦合模式的超快動(dòng)力學(xué)過程,揭示了該共振模式在飛秒泵浦光脈沖激發(fā)下產(chǎn)生光譜紅移的物理機(jī)理。進(jìn)一步利用該耦合模式實(shí)現(xiàn)了效率達(dá)22.4%的超快全光開關(guān)器件。(三)研究了金屬半球納米殼結(jié)構(gòu)中多極性等離激元及其中的超快光物理過程,實(shí)現(xiàn)了超快全光開關(guān)效應(yīng)。利用穩(wěn)態(tài)光譜學(xué)方法研究了金屬納米殼陣列結(jié)構(gòu)中的單向、多極性等離激元共振模式等光譜學(xué)響應(yīng)特性,確認(rèn)了其中的偶極子和六極子兩種等離激元的物理學(xué)屬性。利用飛秒泵浦-探測(cè)技術(shù)研究了六極子和偶極子等離激元的超快物理過程,闡明了在泵浦光激發(fā)下偶極子等離激元發(fā)生光譜紅移及六極子等離激元發(fā)生光譜展寬的物理規(guī)律,并利用偶極子等離激元獲得了25%的開關(guān)效率和270 fs的開關(guān)速度。
【圖文】：

(1-5) 式為金屬自由電子在外界電場(chǎng)作用下的振蕩模型，即 Drude 模型，它描述了金屬介電常數(shù)與入射光電場(chǎng)頻率之間的關(guān)系。由表達(dá)式可知，自由電子的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù) ( ) = ( ) ( )，其實(shí)部和虛部分別表示為： ( ) = (1-6a) ( ) = ( )(1-6b)為了驗(yàn)證 Drude 模型的準(zhǔn)確性，利用(1-6)式中實(shí)部和虛部的函數(shù)關(guān)系對(duì)貴金屬金的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[45]進(jìn)行擬合，如圖 1-1 所示。當(dāng)入射電場(chǎng)的能量小于金的帶間躍遷能量 ΔE = 2.4 eV 時(shí)，Drude 模型的擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，說明該模型在此頻域內(nèi)能夠很好地反映金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)入射電場(chǎng)能量大于金的帶間躍遷能量時(shí)，Drude 模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，這是由于價(jià)帶中的電子在吸收光子能量后向?qū)кS遷，從而對(duì)導(dǎo)帶中的自由電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。當(dāng)忽略電子間的相互碰撞(γ= 0)時(shí)，可以得到無衰減情況下的介電常數(shù)： ( ) = (1-7)

1-2 金屬/介質(zhì)交界面激發(fā)的表面等離極化激元[38]。urface plasmon polaritons excited at dielectric-metal inter激發(fā)表面等離極化激元的示意圖。該模型是由介 > 0)和介常數(shù)為m(ω)的金屬(z < 0)構(gòu)成，，其中部 Real[m(ω)]為負(fù)數(shù)，|Real[m(ω)]| >> |Im[m(部電荷和電流密度的情況下，根據(jù)麥克斯韋方 = = = = 將(1-8b)式代入可得： = 變電場(chǎng) ( ) = ( ) 可得到如下關(guān)系式： = 波在真空中的波矢，(1-10)式稱為亥姆霍茲方程面等離極化激元沿著 x 方向傳播，且在 y 方向
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O43;TG111

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

2 丁松園;吳德印;楊志林;任斌;徐昕;田中群;;表面增強(qiáng)拉曼散射增強(qiáng)機(jī)理的部分研究進(jìn)展[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2008年12期

本文編號(hào)：2706181