【摘要】：表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritions,SPPs)是金屬表面自由電子與光之間相互作用所形成的一種表面電磁波模式,具有突破衍射極限、亞波長局域與聚焦、近場增強和超分辨成像等特性,這些特性使其在亞波長波導(dǎo)、高靈敏度光學(xué)傳感、高精度納米光刻、高分辨率顯微鏡設(shè)計等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。對表面等離子激元的激發(fā)方式、傳輸規(guī)律以及調(diào)控手段的認識與探索,將揭示光與亞波長微納結(jié)構(gòu)的相互作用機理,促進表面等離子激元微納光電子元器件的研制,推動新一代微型光電子器件、光電集成技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。本論文在微納光柵、微納陣列膜和金膜覆蓋型納米盤等表面等離子激元器件的設(shè)計與應(yīng)用方面展開研究。根據(jù)表面等離子激元的基本理論,以有限元法和時域有限差分法作為主要數(shù)值計算工具,從單雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)向復(fù)合周期雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)過渡,通過器件設(shè)計和參數(shù)調(diào)試實現(xiàn)了多種光譜特性及非常規(guī)電磁材料屬性特征;利用納米棒膜、納米盤膜復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高吸、極窄帶濾波、傳感及場強局域等光學(xué)特性的高度集成應(yīng)用;進而對金膜覆蓋型納米盤結(jié)構(gòu)傳感器件進行了性能的理論建模、器件制作和實驗研究,實現(xiàn)了對免疫球蛋白等生化分子的特征識別與檢測,推動了表面等離子激元納米生化傳感技術(shù)的研究進展。論文的主要工作如下:1.基于對表面等離子激元理論、典型數(shù)值計算方法及金屬材料色散模型的分析研究,設(shè)計了單層金屬薄膜微納光柵,利用其奇異光學(xué)特性,實現(xiàn)了雙向偏振濾波、波長和強度調(diào)制等光電測控。通過計算入射光從底、頂斜入射結(jié)構(gòu)的反射光譜,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有近紅外波段的雙向雙通道窄帶偏振濾波特性,近紅外寬波段雙向無偏振選擇高反特性,可用于實現(xiàn)波長和強度調(diào)制等傳感測量,并且其濾波、傳感特性與角度調(diào)制兼容;利用SPP共振效應(yīng)、偶極共振效應(yīng)揭示了該結(jié)構(gòu)的物理機制,通過周期調(diào)制實現(xiàn)了可見光到近紅外頻段的可調(diào)諧濾波。該結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)制作雙向濾波、寬波段偏振獨立高反射及高靈敏度傳感等多特性融合的微納光器件。2.通過對金屬-介質(zhì)-金屬交替型微納薄膜光柵結(jié)構(gòu)的建模探究,實現(xiàn)了不同周期調(diào)制下的多功用化特性融合。首先,在周期取值為200 nm時,該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)從紫外-可見-近紅外的分波段異常光學(xué)透射現(xiàn)象,且在近紅外波段表現(xiàn)了多種非常規(guī)電磁材料屬性;增大結(jié)構(gòu)周期到400 nm,受折射率調(diào)制表現(xiàn)出從紫光到紅光的反射式等離子激元可調(diào)諧濾波特性,各濾波波長受制于不同位置的SPP以及偶極共振的激發(fā);繼續(xù)增大周期到1000nm,獲得了特定紅外波長處的窄帶偏振濾波特性;最后,在周期取值達1550 nm時該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)波長和強度調(diào)制型傳感特性,SPP共振激發(fā)位置的改變是主要誘因,其折射率靈敏度達1556 nm/RIU。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計為研發(fā)新型小型、多功用高集成化微納光學(xué)器件提供參考價值。3.將復(fù)合周期引入金屬-介質(zhì)-金屬納米結(jié)構(gòu),通過調(diào)制復(fù)合周期參數(shù)實現(xiàn)了對金屬光柵結(jié)構(gòu)光譜特性的調(diào)控。對反射譜、透射譜及吸收譜的分析發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能集多通道窄帶濾波及99%以上的吸收特性于一體,可同時實現(xiàn)多通道波長強度調(diào)制型傳感功能,其折射率靈敏度能達2080 nm/RIU,品質(zhì)因數(shù)能達92.1 RIU-1。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)試,與單周期特征光譜的對比,表明該結(jié)構(gòu)特征由磁共振效應(yīng)、SPP共振效應(yīng)及類F-P共振效應(yīng)共同決定。該結(jié)構(gòu)為提高表面等離子共振傳感器性能,開發(fā)集更多通道的窄帶濾波及完美吸收特性于一體的微納光學(xué)器件提供解決思路與方案。4.利用陣列膜系結(jié)構(gòu)的強等離子激元特性及低傳輸損耗特性,設(shè)計研究了兩類納米陣列金屬薄膜微納結(jié)構(gòu),利用金屬納米結(jié)構(gòu)中等離子模式間的耦合實現(xiàn)了多特性融合光學(xué)調(diào)控。在橢圓帽式納米棒膜結(jié)合微結(jié)構(gòu)中,對激發(fā)的雙共振窄帶高吸峰進行了分析,通過對角度容忍度、折射率傳感響應(yīng)特性及場增強效應(yīng)的分析發(fā)現(xiàn),棒膜間磁偶極相互作用引起場局域增強效應(yīng)達110倍,可用于實現(xiàn)單分子拉曼光譜探測;進而設(shè)計了偏振無關(guān)的六角形納米盤膜結(jié)合式微納結(jié)構(gòu),利用納米盤陣列構(gòu)型的調(diào)節(jié)變化實現(xiàn)了雙窄帶高吸、窄帶濾波及寬折射率范圍傳感的多重特性。該類結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)多功用集成式微納光子器件。5.研制實現(xiàn)了突破亞波長尺度的金膜覆蓋納米盤傳感器件,并用于IgY、IgG的生化檢測。設(shè)計了六角形金膜覆蓋納米盤陣列結(jié)構(gòu),利用光刻法完成器件制備,通過對不同入射角和方位角下的透射譜分析,揭示出現(xiàn)多級等離子共振帶的物理激發(fā)機制,通過對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值下的傳感特性進行理論計算與器件性能測試,發(fā)現(xiàn)其折射率靈敏度、全峰半高寬、品質(zhì)因數(shù)及折射率分辨率整體性能表現(xiàn)良好;通過生化傳感響應(yīng)檢測發(fā)現(xiàn),該傳感器對IgY的檢測限低至5pg/mm2;將該結(jié)構(gòu)用于人體尿液的IgG檢測,提高了表面等離子激元納米傳感技術(shù)在生化檢測中的靈敏度。該納米盤器件檢測通用性強,可擴展應(yīng)用到其它免疫球蛋白分子檢測中。木論文通過設(shè)計和探究微納光柵、微納陣列膜和金膜覆蓋納米盤傳感器件,目的在于實現(xiàn)其在濾波、高吸、場強局域及蛋白生化檢測方面的特性融合,今后可結(jié)合新型納米材料及制備工藝,在研制新型多功用集成微納光學(xué)器件方面繼續(xù)深入開展研究。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;O441
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｉｃ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ．邋（ａ）邋Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ；邋（ｂ）逡逑Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｐｔｈ邋ｏｆ邋ｍｅｔａｌ邋ａｎｄ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑從圖１．２邋（ａ）發(fā)現(xiàn)，ＰＳＰ的波矢始終比入射光的波矢大，因此，在正常情況下，入射逡逑光無法直接激發(fā)出ＰＳＰ。通過光激發(fā)ＰＳＰ必須要補償動量。通過高能粒子激發(fā)ＰＳＰ必須逡逑要達到一定的能量值，ＰＳＰ的能量一般對應(yīng)于可見光甚至紫外光能量，能量小的粒子束逡逑無法激發(fā)ＰＳＰ。激發(fā)ＰＳＰ的方法主要包含以下幾種。逡逑（】）帶電粒子的激發(fā)逡逑１９５７年，Ｒｉｔｃｈｉｅ在對金屬薄膜上低能電子束衍射衰減能譜的研究中發(fā)現(xiàn)，損耗譜逡逑中除了固有能量為的體等離子激元的激發(fā)之外，還出現(xiàn)了一個更低能量的逡逑處的衰減｜３１］。對于這個低位能量損失，則是由于金屬膜內(nèi)的電子等離子體在外界高能電逡逑子束作用下，在金屬－空氣界面產(chǎn)生的表面等離子激元所致。逡逑（２）棱鏡z1合逡逑－６邋－逡逑

棱鏡耦合激發(fā)表面等離子激元在１９６８年被提出，運用衰減全反射產(chǎn)生的倏逝波來逡逑實現(xiàn)波矢匹配。主要有Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)和Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)兩種方式，如圖．１．３所示。在Ｏｔｔｏ逡逑結(jié)構(gòu)（如圖１．３（ａ））中，金屬薄膜與棱鏡表面間有一定厚度的空氣間隔層，當(dāng)入射光在棱鏡逡逑表面發(fā)生全反射時，產(chǎn)生的倏逝波經(jīng)過空氣層隧穿到金屬薄膜上激發(fā)等離子激元。由于逡逑Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)中的空氣間隔層厚度不易精確控制，一般只在金屬薄膜需要保護的情況下才會逡逑用到這種方式；在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)（如圖１．３（ｂ））中，金屬薄膜位于棱＿鏡的表面上，入射逡逑光經(jīng)過棱鏡發(fā)生衰減全反射后，部分能量隧穿過金屬薄膜到達金屬－空氣界面產(chǎn)生ＳＰＰ。逡逑Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)要求金屬薄膜的厚度在一定范圍內(nèi)（在可見光激發(fā)下，金屬薄膜的厚度逡逑大概在ｌＯＯｎｍ以內(nèi)較為合理），從而保證倏逝波能夠有效的隧穿過金屬薄膜。相對于Ｏｔｔｏ逡逑結(jié)構(gòu)，Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)在實際操作上更為簡便，故應(yīng)用更為廣泛。逡逑（ａ）邐▲邐（ｂ）邐▲逡逑圖１．３基于棱鏡衰減全反射激發(fā)的傳播型表面等離子激元（ａ）Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)；逡逑（ｂ）Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｒｍ邋結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｐｒｉｓｍ邋ｃｏｕｐｌｉｎｇ邋ｔｏ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ邋ｔｏｔａｌ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ逡逑ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ

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