本文選題：表面等離子體 + 倏逝波��； 參考：《西南交通大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：隨著微細(xì)加工與集成光電子技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展與完善,表面等離子體光學(xué)引起了研究人員的極大興趣。表面等離子體由于具有波長(zhǎng)短和倏逝波耦合放大等性質(zhì),可以用于傳輸和操控原局域在物體表面的高頻倏逝波,因而在超分辯成像、高密度存儲(chǔ)和光伏太陽(yáng)能等各個(gè)領(lǐng)域擁有重要的研究及廣闊應(yīng)用前景。本文基于表面等離子體亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了倏逝波操控的物理機(jī)理、數(shù)理模型和光電性能等,并開(kāi)展了元件制備和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,主要包括以下幾個(gè)方面：首先研究了亞波長(zhǎng)狹縫和光柵結(jié)構(gòu)的超衍射聚焦原理。狹縫結(jié)構(gòu)的聚焦性能主要由表面等離子體波在狹縫波導(dǎo)內(nèi)的等效傳播常數(shù)決定,而光柵結(jié)構(gòu)的聚焦性能由其出射面的電磁場(chǎng)分布以及向自由空間耦合條件共同決定。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光柵聚焦結(jié)構(gòu),引入多層膜中共振腔效應(yīng)提高聚焦性能。優(yōu)化得到的聚焦焦點(diǎn)能量相對(duì)于單層光柵聚焦結(jié)構(gòu)提高了21倍,并進(jìn)一步分析多層膜波導(dǎo)中引入的額外傳輸損耗的對(duì)最終聚焦性能的影響。然后基于超棱鏡(S uperlen s)結(jié)構(gòu)研究了表面等離子體對(duì)倏逝波的耦合傳輸能力。從倏逝波角度分析衍射極限的物理含義,由于攜帶物體微納表面信息的高頻倏逝波被局域在物體表面,即使在無(wú)像差和無(wú)限大光闌的完美成像系統(tǒng)中也無(wú)法實(shí)現(xiàn)超衍射成像。表面等離子體由于其短波長(zhǎng)色散特性,可以耦合放大表面倏逝波突破衍射極限。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究金屬-介質(zhì)交替的多層膜結(jié)構(gòu)(Alternately Stacked Metal-Dielectric Layers, ASMDLs),利用等效介質(zhì)理論(Effective Material Theory, EMT)研究多層膜結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù),設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)雙曲的色散關(guān)系,滿足倏逝波在多層膜結(jié)構(gòu)中的傳輸條件。然后利用嚴(yán)格耦合波理論(Rigors Coupled Waves Analysis, RCWA)計(jì)算多層膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳遞函數(shù),研究其倏逝波濾波特性,并在實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)莫爾條紋進(jìn)行驗(yàn)證。在8對(duì)Ag(20nm)-SiO2(30nm)多層膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計(jì)400nm激發(fā)光柵和200nm檢測(cè)光柵,激發(fā)光柵產(chǎn)生高級(jí)次衍射波經(jīng)過(guò)多層膜濾波后與檢測(cè)光柵差頻,得到實(shí)驗(yàn)中易于觀測(cè)的長(zhǎng)周期莫爾條紋,實(shí)驗(yàn)測(cè)得莫爾條紋周期為59.76μm,驗(yàn)證了多層膜的倏逝波濾波性能。然后通過(guò)改變不同的入射角度,根據(jù)莫爾條紋的周期以及對(duì)比度的變化進(jìn)一步研究了多層膜倏逝波濾波的帶通和濾波窗口不均勻等特性。接下來(lái)研究了納米膜層的表面粗糙度對(duì)倏逝波超衍射成像結(jié)構(gòu)的影響。首先介紹常見(jiàn)的粗糙度理論分析方法,并對(duì)比理論產(chǎn)生粗糙度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量粗糙度的異同,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量粗糙度在橫向上自相關(guān)長(zhǎng)度并不為零,具有一定的相關(guān)性。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得到的粗糙度引入金屬-光刻膠-反射層(GPG)超衍射成像結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)雖然表面粗糙度可以增加高頻分量的透過(guò)率,但其引起雜散的隨機(jī)光場(chǎng)分布使得整體成像性能變差。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)引入適當(dāng)?shù)膿p耗可以平滑超棱鏡結(jié)構(gòu)光學(xué)傳遞函數(shù)中的共振峰,并在保證原有圖形質(zhì)量的基礎(chǔ)上抑制粗糙度帶來(lái)的負(fù)面影響。對(duì)GPG成像結(jié)構(gòu)中不同界面的粗糙度和多層膜結(jié)構(gòu)中的粗糙度進(jìn)一步分析表明,在成像銀層與光刻膠層界面的粗糙度對(duì)成像性能影響最大,多層膜結(jié)構(gòu)由于膜層數(shù)量的增加更容易受到粗糙度的影響。在這兩種情況下,同樣可以通過(guò)引入額外的損耗來(lái)抑制粗糙度的影響,提高成像質(zhì)量。不同界面的表面粗糙度對(duì)成像效果影響不盡相同,進(jìn)一步研究在加工工藝中不同膜層的表面粗糙度分布情況,并分析后續(xù)加工工藝對(duì)原有膜層粗糙度的影響。首先利用電子束蒸鍍和光刻膠旋涂工藝加工了GPG超衍射成像結(jié)構(gòu),記錄不同的加工工藝對(duì)膜層表面粗糙度的影響。研究發(fā)現(xiàn)光刻膠有機(jī)層具有平滑表面粗糙度的功能,可以降低在其上加工膜層的表面粗糙度,另外隨著加工金屬膜層厚度的增加,采用電子束蒸鍍工藝制作銀納米膜的表面粗糙度也隨著增加。然后設(shè)計(jì)模板剝離實(shí)驗(yàn)研究后續(xù)加工工藝對(duì)原有膜層的影響。利用紫外固化模板翻轉(zhuǎn)工藝將樣品從硅基片上剝離并逐層分析,研究表明硅基底上蒸鍍銀納米膜以及銀膜層上旋涂光刻膠均對(duì)原界面沒(méi)有影響,但在光刻膠層之上蒸鍍銀膜會(huì)影響原有的光刻膠形貌,增加表面粗糙度。上述研究表明,基于金屬表面等離子體可以有效操控局域在物體表面的倏逝波,實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)的超衍射聚焦、倏逝波的傳輸和濾波等,能夠用于不同的研究領(lǐng)域,包括生物光子學(xué)、高密度光學(xué)存儲(chǔ)和高效光電轉(zhuǎn)換等,為高性能納米光學(xué)器件、超分辯成像等實(shí)際應(yīng)用提供了參考。
[Abstract]:In this paper , we have studied the physical mechanism , mathematical model and photoelectric properties of the multi - layer film structure by using equivalent medium theory ( EMT ) . The effects of different surface roughness on the surface roughness of the films are studied by means of electron beam evaporation and photoresist spin coating .

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TN911.7;O436.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 廖振鵬,黃孔亮,楊柏坡,袁一凡;A TRANSMITTING BOUNDARY FOR TRANSIENT WAVE ANALYSES[J];Science in China,Ser.A;1984年10期

，

本文編號(hào)：1855204