【摘要】：布洛赫表面波(Bloch surface wave,BSW)是束縛在多層介質(zhì)膜與半無限大均勻介質(zhì)界面的表面電磁模式,可被看作介質(zhì)版低損耗表面等離激元(Surface plasmonpolaritions,SPPs)。與SPPs相似,可以通過改變傳播界面的表面形貌和材料屬性,設(shè)計(jì)構(gòu)造不同的結(jié)構(gòu)對(duì)BSW光場(chǎng)進(jìn)行有效調(diào)控,從而可在納米尺度下研究光子的產(chǎn)生、傳輸、操縱、變換及其與物質(zhì)相互作用規(guī)律,展現(xiàn)新穎的光學(xué)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)基于BSW的光力操作,光場(chǎng)多維調(diào)控,超分辨成像,大視角全息以及高度集成的片上光譜檢測(cè)、光子路由等新型微納光學(xué)功能器件的研發(fā)。本論文從BSW與SPPs的對(duì)比出發(fā),分別利用理論和實(shí)驗(yàn)手段分析并表征了多層介質(zhì)膜與表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了 BSW的激發(fā)與整形,并得到了基于BSW的面上光波導(dǎo)、反射器、分束器、偏振轉(zhuǎn)換器、光開關(guān)等光學(xué)器件。對(duì)于這些問題的研究不僅具有極其重要的理論價(jià)值,同時(shí)也推動(dòng)光學(xué)在信息、化學(xué)、生命和材料領(lǐng)域的交叉研究應(yīng)用。本論文的主要研究工作如下:1.利用光子帶隙理論深入分析了布洛赫表面光場(chǎng)產(chǎn)生的物理機(jī)理及其定義,通過精心設(shè)計(jì)多層介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu),將其與聚合物納米纖維復(fù)合,提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的一維布洛赫表面波模式,并在理論上研究對(duì)比了介質(zhì)負(fù)載布洛赫表面波與一維布洛赫表面波模式,驗(yàn)證了一維BSW模式局域性及傳感性能更佳。實(shí)驗(yàn)中用等離子體化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積法制備多層介質(zhì)膜,用靜電紡絲方法制備了聚合物納米纖維,利用自行搭建的泄漏輻射顯微系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了聚合物納米纖維中一維BSW激光和熒光信號(hào)的傳輸,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了同一基底不同波長(zhǎng)情況下介質(zhì)負(fù)載布洛赫表面波到一維布洛赫表面波的轉(zhuǎn)變,基于此對(duì)聚合物納米纖維進(jìn)行化學(xué)修飾實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)布洛赫表面波熒光信號(hào)的同時(shí)激發(fā)。2.研究分析了多層介質(zhì)薄膜與交叉耦合光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)將自由空間3D高斯光束耦合成二維布洛赫表面波,提出并實(shí)現(xiàn)了液相環(huán)境中無衍射布洛赫表面波。利用后焦面成像技術(shù)驗(yàn)證了無衍射布洛赫表面波是由交叉光柵生成的兩束平面二維BSWs干涉得到。在無衍射BSW傳輸路徑上放置多個(gè)障礙物、或尺寸較大的微米纖維結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了無衍射布洛赫表面波自修復(fù)效應(yīng)。調(diào)整多層介質(zhì)膜的參數(shù),用同樣的方法實(shí)現(xiàn)了空氣環(huán)境中無衍射布洛赫表面波的傳輸及其自修復(fù)效應(yīng)。3.實(shí)驗(yàn)研究了多層介質(zhì)薄膜與單根銀納米線復(fù)合結(jié)構(gòu),利用易于合成與操控的銀納米線代替聚焦離子束或電子束曝光等手段加工的特定微納結(jié)構(gòu)作為遠(yuǎn)-近場(chǎng)耦合器,實(shí)現(xiàn)了二維BSW的激發(fā)、傳播,同時(shí)利用彎曲銀納米線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二維布洛赫表面波的聚焦。進(jìn)一步將空間光調(diào)制器整形獲得的三維結(jié)構(gòu)光場(chǎng)耦合轉(zhuǎn)換為二維布洛赫表面結(jié)構(gòu)光場(chǎng),實(shí)現(xiàn)二維布洛赫表面波的傳播方向、寬度、傳輸長(zhǎng)度等的動(dòng)態(tài)調(diào)控。4.設(shè)計(jì)了同時(shí)支持橫電模和橫磁模兩種偏振的2D-BSW多層介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)。研究了多層介質(zhì)薄膜上一維狹縫結(jié)構(gòu)寬度,深度對(duì)入射在其上的2D-BSW的反射、透射及模式轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響。并利用嚴(yán)格耦合波分析法及頻域有限差分法研究了 BSW經(jīng)過狹縫后其反射、透射及模式轉(zhuǎn)換系數(shù)與入射角度之間的關(guān)系。在理論研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)中合理刻蝕多層介質(zhì)膜上狹縫結(jié)構(gòu)得到了基于2D-BSW的發(fā)射器、反射器、偏振轉(zhuǎn)換器及光學(xué)單刀雙擲開關(guān)等二維集成光學(xué)中基本組成元件。5.制備了一種金屬-介質(zhì)復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)即等離子體耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。與多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)相似,可支持兩種偏振態(tài)模式。利用轉(zhuǎn)移矩陣法,合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù),并對(duì)模式及其場(chǎng)分布進(jìn)行調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)兩種模式同時(shí)激發(fā),并利用兩種模式的場(chǎng)分別激發(fā)相應(yīng)位置熒光。同時(shí)利用電動(dòng)液晶片與偏振器,實(shí)現(xiàn)兩種偏振模式選擇性激發(fā),從而控制兩種模式場(chǎng)選擇性激發(fā)熒光信號(hào),實(shí)現(xiàn)樣品表面和體相中熒光選擇性成像。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括:1.提出一維布洛赫表面波模式這一新物理概念,利用多層介質(zhì)膜與聚合物納米纖維復(fù)合,解決了極細(xì)聚合物納米纖維在普通玻璃基底上無法傳光的技術(shù)難題。對(duì)聚合物納米纖維進(jìn)行化學(xué)修飾,實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)熒光信號(hào)的同時(shí)激發(fā)。2.提出并實(shí)現(xiàn)了多層介質(zhì)膜與交叉耦合光柵結(jié)構(gòu)下液相或空氣環(huán)境中無衍射BSW,利用后焦面技術(shù)證明了無衍射BSW生成原理,進(jìn)一步驗(yàn)證了無衍射BSW經(jīng)過多個(gè)障礙物后仍能自修復(fù)。3.提出并實(shí)現(xiàn)了銀納米線代替光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液相環(huán)境中布洛赫表面波的激發(fā)、傳輸及聚焦效果。利用空間光調(diào)制器對(duì)激發(fā)光場(chǎng)位相信息調(diào)控,首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)、可重構(gòu)的二維布洛赫表面波。4.提出并實(shí)現(xiàn)了用一維狹縫結(jié)構(gòu)操控二維布洛赫表面波,研究了二維布洛赫表面波的全反射、分束及模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了橫電模和橫磁模布洛赫表面波互相轉(zhuǎn)換,觀測(cè)到反射角與入射角不等的異常反射現(xiàn)象。
【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)】：O441
【圖文】：

圖１．１半無限大介質(zhì)－金屬界面處的ｓｐｐ電磁場(chǎng)分布情況逡逑由介質(zhì)－金屬界面上的ＳＰＰ色散關(guān)系（公式丨．丨），可畫出ＳＰＰｓ色散關(guān)系曲線逡逑（圖１．２），圖中可觀察出ＳＰＰｓ色散曲線與自由空間中光線無交點(diǎn)。以銀膜與空逡逑氣界面為例，入射光為６３３ｎｍ波長(zhǎng)的紅光時(shí)，可算得此時(shí)ＳＰＰｓ的波矢為逡逑／ｔｗｓｌ．０３ｔ。。ＳＰＰｓ波矢大于自由空間中光波矢，由于ＳＰＰｓ和自由空間中光波矢逡逑不匹配，因此自由空間光場(chǎng)無法直接激發(fā)金屬表面的ＳＰＰｓ，必須滿足動(dòng)量匹配逡逑才能實(shí)現(xiàn)ＳＰＰｓ的激發(fā)�？衫霉庾于吥w效應(yīng)的衰減全內(nèi)反射（ＡＴＲ）法［４］，光柵逡逑衍射［１２］，表面粗糙和尖端散射［１３，邋］４］等，是最常用的波矢匹配的方法。逡逑３逡逑

ｓｐＣＨ逡逑圖１．２半無限大介質(zhì)－金屬界面的ＳＰＰ色散關(guān)系逡逑１．１．２金屬微納結(jié)構(gòu)調(diào)控表面等離激元概述逡逑由１．１．１節(jié)所述，ＳＰＰｓ是局域在金屬與介質(zhì)界面的電磁場(chǎng)，金屬表面結(jié)構(gòu)逡逑及形貌影響ＳＰＰｓ特性，因此可通過設(shè)計(jì)和制備不同的表面微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)ＳＰＰｓ場(chǎng)逡逑分布的調(diào)控，從而制備出各種基于ＳＰＰｓ光子器件。近年來，微納結(jié)構(gòu)制作工藝逡逑日益精進(jìn)，尤其是電子束刻蝕（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｂｅａｍ邋ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＢＬ）［１５－１９］、聚焦離子逡逑束刻蝕（Ｆｏｃｕｓｅｄ邋ｉｒｏｎ邋ｂｅａｍ，邋ＦＩＢ）［２０］及紫外光刻等微納加工方法可精確制備各類逡逑微納結(jié)構(gòu)。逡逑研究人員們基于各類微納加工方法提出和實(shí)現(xiàn)了一系列基于ＳＰＰｓ光學(xué)器逡逑件。其中最簡(jiǎn)單的一類結(jié)構(gòu)形式即為金屬薄膜表面的納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，電磁波逡逑入射到納米孔洞后發(fā)生散射或衍射，從而在金屬表面產(chǎn)生倏逝波，并由隧穿效應(yīng)逡逑穿過納米孔洞

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本文編號(hào)：2719191