發(fā)布時間：2020-12-21 22:01

　　利用納米金屬顆粒對入射光的電磁響應(yīng)形成的局域場增強,可以調(diào)控熒光分子或量子點源的熒光輻射,這是納米光子學研究的熱點之一。金屬納米顆粒對激勵場進行高效地耦合與高度地局域化,使顆粒表面自由電子集體振蕩形成局域表面等離子體(LSP)。本文設(shè)計了菱柱形和橢圓盤結(jié)構(gòu)的納米光學天線,在入射光照射下產(chǎn)生的LSP共振來實現(xiàn)納米顆粒表面的電場增強。同時該光學天線能改變結(jié)構(gòu)附近的熒光分子或量子點的電磁局域態(tài)密度,從而增強其輻射特性。納米光學天線在表面等離子體共振(SPR)成像、表面等離子體波導、生物傳感器、光譜增強等方面有著重要的應(yīng)用前景。本論文首先概要地介紹了納米光學天線的發(fā)展進程,然后系統(tǒng)地介紹表面等離子體、局域表面等離子體理論以及二能級原子系統(tǒng)的熒光輻射機理和其他有關(guān)天線輻射理論。然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計出具有非常強的場增強納米光學天線,最后分析其不同偶極子共振模式下金屬顆粒表面的電荷分布。本文的主要工作如下:1.基于金屬納米顆粒的LSP,表面電荷容易聚集在顆粒尖端形成熱點效應(yīng),從而產(chǎn)生較強的近場增強。首次設(shè)計了具有菱柱形狀金屬納米顆粒的光學天線,經(jīng)FDTD solutions仿真軟件進行模擬仿真分析,得... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）羅馬萊式杯，外側(cè)照射發(fā)射光下呈綠色，內(nèi)側(cè)照射透射光下呈現(xiàn)紅色；（b）納米材料表面光場分布；（c）近場光學顯微鏡下的光子晶體結(jié)構(gòu)；（d）掃描隧

電子科技大學碩士學位論文4圖1-2（a）金屬平面和介質(zhì)交界處激發(fā)的表面等離子體激元示意圖；（b）FDTDsolutions仿真分析下的SPP波；（c）金屬納米球產(chǎn)生局域表面等離子體原理圖；（d）各種形狀納米顆粒的共振頻率譜[13,14,15]。1.3表面等離子體激元的應(yīng)用表面等離子體的應(yīng)用，主要涉及到表面等離子體波導，光透過金屬薄膜或納米孔產(chǎn)生的超透射現(xiàn)象，表面等離子體在近場形成的場增強以及表面等離子體在生物傳感器方面的應(yīng)用[9]。1.3.1表面等離子體波導波導的約束與能量損失需要在特定的波導尺寸和幾何形狀下完成能量的交換。比如說金屬薄膜間隙處于均勻介質(zhì)環(huán)境下，類似于MIM（Metal-Insulator-Metal）結(jié)構(gòu)，可以作為表面等離子體波的波導，該結(jié)構(gòu)的波導可以讓近紅外頻率的表面等離子體波傳輸距離達到幾個厘米。眾所周知，在上節(jié)我們介紹的在金屬平面于介質(zhì)交界處激發(fā)的表面等離子體波僅僅能傳輸幾百微米，MIM結(jié)構(gòu)波導將會是讓表面等離子體波作為未來集成光波導通信的重要器件！然而在表面等離子體波矢的垂直方向上該結(jié)構(gòu)對光波的束縛力不足。除了MIM波導結(jié)構(gòu)外，金屬納米線或是納米顆粒也可以作為表面等離子體的波導，因為這些結(jié)構(gòu)在衍射極限的條件下可以對橫電磁場模式進行較強的約束。這些納米線或納米顆粒會產(chǎn)生局域表面等離子體，電子的集體振蕩會吸收表面等離子體波過多的能量從而讓其傳播距離大大縮減。(a)(b)(c)(d)

第一章緒論5如圖1-3，表面等離子體波在波導中傳播的近場光學成像圖，用棱鏡耦合的方式將波長為1550nm的入射光耦合到波導中激發(fā)表面等離子體波。圖1-3（a）波導結(jié)構(gòu)在近場光學顯微鏡下的成像；（b）波導內(nèi)的等離子體波[16]。除了上述波導結(jié)構(gòu)，各種形狀的波導間隙和凹槽被制造用來傳輸表面等離子體波，以及設(shè)計成的環(huán)形波導可以作為環(huán)形諧振器或耦合器，如圖1-4。圖1-4（a）是近場光學顯微鏡下波導實物圖；（b）是環(huán)形諧振器實物[17]。另外一種用金屬納米顆粒將入射光局域在衍射極限下從而起到波導的作用。由于多個納米顆粒排成一排，他們之間可以通過偶極矩相互作用來傳導等離子體波。其實這也是一種納米光學天線，這在與后面將要介紹的八木天線原理相類似。其實早在1998年Quinten等人就研究過，他們基于米氏散射理論分析了長鏈納米顆粒中光能量的轉(zhuǎn)移[18]。用Maxwell方程求解納米顆粒鏈時可將單個顆粒作準靜態(tài)近似，Maier等人在2003年求出納米球鏈的電場分布，如圖1-5將直徑為50nm的金納米球一字排開，球與球中心的間隔為75nm置于空氣中[19]。(a)(b)


本文編號：2930581