發(fā)布時(shí)間：2020-04-28 22:57

【摘要】：表面等離激元是在金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?能夠突破衍射極限,具有巨大的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)依托其強(qiáng)烈的耦合特性,結(jié)合表面等離激元優(yōu)越的性質(zhì),極大的增強(qiáng)了波導(dǎo)間隙中納米粒子所受光學(xué)力。石墨烯是近年來興起的一種新型光電材料,在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用�；谑┡c表面等離激元的新型石墨烯光纖結(jié)構(gòu),相比于傳統(tǒng)光鑷模型,在光學(xué)力上提高了多個(gè)數(shù)量級(jí)。本文對(duì)雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和石墨烯光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面研究,對(duì)光鑷的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義。第一章說明了課題背景及研究意義,并介紹了表面等離激元的公式推導(dǎo)、激發(fā)以及應(yīng)用、石墨烯的性質(zhì)、光鑷的分類及應(yīng)用。第二章介紹了石墨烯的相關(guān)光學(xué)參數(shù),多種介質(zhì)微粒的光學(xué)力計(jì)算以及數(shù)值仿真軟件(COMSOL)的簡(jiǎn)介和使用方法。第三章介紹了銀納米線的模式和光學(xué)力,提出了兩種新型表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過有限元分析軟件對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模式仿真,模式面積、傳播長(zhǎng)度以及光學(xué)梯度力計(jì)算。這兩種新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)均可以在納米級(jí)間隙中形成深亞波長(zhǎng)光學(xué)能量束縛的效果。得益于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間強(qiáng)烈的耦合作用以及表面等離激元優(yōu)越的特性,雙銀納米線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)梯度力達(dá)到了 4000fN/W以上,混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在保證良好的傳播長(zhǎng)度下,光學(xué)梯度力達(dá)到了 1000fN/W以上。通過對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié),還能夠形成精度可調(diào)的納米級(jí)光鑷,應(yīng)用于不同的場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)微粒的分情況操作。第四章提出了兩類石墨烯等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu),一類為石墨烯光纖,另一類為部分覆蓋石墨烯光纖。通過有限元分析軟件進(jìn)行相關(guān)量的仿真計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)基于石墨烯與表面等離激元的優(yōu)越性質(zhì),其在局域場(chǎng)的增強(qiáng)效果上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于貴金屬,產(chǎn)生的光學(xué)梯度力最高達(dá)到了107 fN/W。其中部分覆蓋石墨烯光纖在光學(xué)梯度力的效果上要優(yōu)于石墨烯光纖模式,而且在材料的使用上要更加節(jié)省,但是相對(duì)于石墨烯光纖的制作難度較大。以上兩類情況下,通過添加基底,還可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)力翻倍的效果。綜上可得,這兩類結(jié)構(gòu)在光學(xué)梯度力的數(shù)值上相對(duì)于傳統(tǒng)光鑷提高了多個(gè)數(shù)量級(jí),大大提高了對(duì)微粒捕捉的強(qiáng)度,在高精度捕捉領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。第五章對(duì)整篇文章的工作做出了總結(jié),并對(duì)未來光鑷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用做出了展望。
【圖文】：

表面等離激元是電子在金屬－介質(zhì)界面上的集體光激發(fā)［５’６］，也就是說，表面逡逑等離激元是一種表面電磁波，電磁場(chǎng)能量被限制在金屬－介質(zhì)表面。這里以介質(zhì)－逡逑金屬界面的表面等離激元為例進(jìn)行說明，如圖１－１所示。逡逑ｘ邐Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑邐？逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑圖１－１介質(zhì)－金屬界面ＳＰＰ傳播幾何圖逡逑１逡逑

ＴＭ極化模式。逡逑１．２．２表面等離激元的激發(fā)逡逑在圖１－２中表示出了金屬－空氣界面的色散關(guān)系（淺色）和金屬－二氧化硅界逡逑面的色散關(guān)系（深色）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這兩種ＳＰＰｓ的情況，波矢與入射逡逑光的波矢均不匹配，因此，這兩種界面下通常不能直接被入射光激發(fā)形成ＳＰＰｓ，逡逑要想激發(fā)出ＳＰＰｓ需要采用特定的方法。常用的方法有平面波波矢匹配法［７’８］、近逡逑場(chǎng)散射激發(fā)法＆°］、局域表面等離激元激發(fā)等等。逡逑＾邐￣———逡逑Ｉ。＇８邐、卞：／邋邐逡逑＾０．６邐——．．—逡逑＜Ｕ邐／邐邐邋，Ｔ逡逑ｇ－邐／邐一＂邐＾ｓｐ．ｓｉｌｉｃａ－逡逑ｑｊ邋０．４Ｌ邐．／邋／／＾邐：逡逑丨逡逑０邋１逡逑Ｗａｖｅ邋ｖｅｃｔｏｒ邋（３ｃ／0）ｐ逡逑圖１－２邋ＳＰＰ在金屬－空氣界面（淺色）和金屬－二氧化硅界面（深色）色散關(guān)系逡逑由于表面等離子體在同一頻率下要大于光波波矢，所以無法直接激發(fā)ＳＰＰ，逡逑我們可以使用如圖１－３的耦合裝置進(jìn)行耦合激發(fā)，，這種激發(fā)方法叫做棱鏡耦合法。逡逑在棱鏡的上表面覆蓋一層銀薄膜，光線從左側(cè)入射到棱鏡內(nèi)，在打到棱鏡邊界時(shí)逡逑發(fā)生折射，然后打到上表面形成內(nèi)反射，通過調(diào)節(jié)角度０可以改變色散曲線中的逡逑斜率
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O441

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本文編號(hào)：2643950