【摘要】：長期以來,對光頻段電磁波的操作主要依賴于透鏡、棱鏡、光纖以及各種衍射元件等等。這些傳統(tǒng)光學器件具有體積大和集成性差的性能限制。天線具有亞波長尺寸,能實現(xiàn)電磁波從無界自由空間到遠小于波長的局域空間的能量耦合和轉換,同時對光波的振幅、相位和偏振等參數具有靈活的調控效應。目前天線理論和技術在微波頻段已發(fā)展較為成熟,在微波的調控和應用方面得到了廣泛應用。發(fā)展光學波段的亞波長天線對于探究光與人工結構材料的相互作用以及研發(fā)新器件功能具有重要意義�；诜ú祭�-珀羅介質天線和金屬微帶天線結構,本論文設計并制備了結構顏色器件和分子傳感器件。這些新型光學器件均基于天線共振的基本原理,豐富了光學天線的器件功能,并揭示了相關器件機理。論文取得主要研究成果包括:1.基于法布里-珀羅介質天線中的選擇性模式吸收原理,實現(xiàn)了無圖形化薄膜結構的高純度結構顏色器件�；谖锢斫Y構的著色方法避免了傳統(tǒng)化學著色對材料本身的依賴,有望實現(xiàn)無污染的著色技術,同時具有耐高溫和抗刮擦的性能優(yōu)勢。本論文通過在法布里-珀羅共振模式的波腹處放置超薄吸收材料,提出了波長選擇性吸收和反射光譜裁剪方法。以結構紅色為例,論文設計了SU-8/Ge/SU-8/Al三層膜結構,其中吸收材料Ge位于波長為454 nm的駐波模式的波腹位置,同時能夠與該波長臨近的法布里-珀羅共振模式的波腹重合。測試結果表明該法布里-珀羅介質天線在400 nm至600 nm波長之間具有寬帶近完美吸收,呈現(xiàn)出鮮艷紅色,其純度高達76%,比文獻報道的薄膜結構提高了16%,這一結果與結構復雜、制造成本昂貴的局域表面等離子體共振天線的結構紅色的純度相當。2.基于法布里-珀羅介質天線的場增強效應,研制了無圖形化、薄膜結構的分子指紋傳感器件。大多數有機分子在紅外波段具有基于分子振動和轉動模式的特征吸收。表面增強紅外光譜技術(SEIRA)是目前最為常見的一種光學分子指紋檢測方法,其探測原理是基于納米金屬顆�；蛘呓饘偬炀�的局域等離子體共振模式,因此具有制備工藝復雜的限制。本論文提出一種無圖形化、薄膜結構的分子指紋傳感器件,其結構由金屬襯底上的單層硒化鋅(ZnSe)薄膜組成,ZnSe薄膜厚度設計為分子特征吸收波長的四分之一。論文揭示了該薄膜介質腔在不同偏振和不同角度條件下的共振模式特點和表面電場特性。結果表明s偏振共振模式在大角度時具有約兩倍的表面電場增強因子,同時具有高品質因子,適合于分子指紋探測。本論文以自組裝的十八硫醇(ODT)單層分子為例,實現(xiàn)了其CH_2和CH_3伸縮振動模式檢測,在s偏振和75°入射角時,測得的特征峰響應信號高達8.54%,與金屬納米結構中報道的信號強度相當,這一高探測靈敏度源于介質天線光學共振模式與分子化學鍵共振之間的能量耦合和轉換機制。3.基于金屬微帶天線中的局域和傳播表面等離子體模式,實現(xiàn)了單層分子的中紅外折射率傳感�；诓ㄩL的依賴特性,金屬表面等離子體一般被認為在可見光和近紅外具有較好的場束縛性質,而在波長較長的中紅外波段,光場的束縛性變差,因此很少應用于中紅外分子傳感。論文探究了金屬表面等離子體在中紅外的分子折射率傳感特性,理論和實驗都證明中紅外表面等離子體具有單層分子的探測靈敏度。論文設計的金屬微帶天線由金屬/硒化鋅/金屬微帶陣列三層結構組成,該金屬微帶天線在3μm-9μm波長范圍內具有局域表面等離子體模式和傳播表面等離子體模式;當通過分子自組裝過程在該天線器件上附著單層十八硫醇(ODT)分子時,局域和傳播表面等離子體模式都發(fā)生波長紅移,其中局域表面等離子體由于具有較好的場局限性和表面電場增強特性,比傳播表面等離子體模式表現(xiàn)出更大的波長紅移。論文提出的金屬微帶天線分子傳感器工作在紅外分子指紋區(qū)之外的光譜范圍,不需要分子指紋和等離子體模式之間的頻率匹配,因此對等離子體模式的共振頻率微小變化不敏感,在一定范圍內能兼容微納加工的尺寸誤差。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TN822
【圖文】：

現(xiàn)對光波的傳輸和性能控制。這些傳統(tǒng)光學元件體積大，一般在光路系統(tǒng)中作為分離元件使用，在小型化和集成化應用方面具有局限性。隨著微納制造技術的迅速發(fā)展，亞波長光學天線的出現(xiàn)為新型光學器件的研制開辟了一條新思路。光學天線具有納米尺度的場局域特點，能夠實現(xiàn)光從無邊界自由空間到納米局域空間的能量耦合和轉換，同時為光波的振幅、相位和偏振等性能參數的調控提供了有效方法，有望實現(xiàn)小型化和集成化的新功能光學器件。1.1.1 光學天線概述天線理論和技術在射頻和微波波段發(fā)展較為成熟，相繼出現(xiàn)了振子天線、引向天線、螺旋天線、喇叭天線和八木天線等，已廣泛應用于電磁波的輻射、傳輸、控制和接收。最典型、使用最為廣泛的一種是半波長偶極子天線（DipoleAntenna），其結構如圖 1-1 所示，由一對對稱放置的金屬導體構成，導體相互靠近的兩端分別與饋電線相連，整個導體的長度大致為共振波長的一半，電流分布具有駐波的形式。將類似的微波天線概念引入到光學波段，對于探索光與人工結構材料相互作用過程中的新效應以及發(fā)展新功能光學器件具有重要研究價值。

圖 1-2Au 在不同頻段的電導率特性[3]了典型金屬金（Au）在不同頻段的電導率[3]。在微率保持為常數 107S/m，表現(xiàn)為理想金屬導電性能紅外和可見光波段時，其電導率實部開始減小，同013Hz 以上甚至超過了實部，表現(xiàn)出非理想導電特質，天線與光波相互作用時會產生如圖 1-3 所示的的尺寸通常比按波長等比例縮放的尺寸更小，同時圖 1-3 金屬棒的表面等離子體激化示意圖[4]

圖 1-2Au 在不同頻段的電導率特性[3]了典型金屬金（Au）在不同頻段的電導率[3]。在率保持為常數 107S/m，表現(xiàn)為理想金屬導電性紅外和可見光波段時，其電導率實部開始減小，013Hz 以上甚至超過了實部，表現(xiàn)出非理想導電質，天線與光波相互作用時會產生如圖 1-3 所示的尺寸通常比按波長等比例縮放的尺寸更小，同

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;現(xiàn)代表面等離子體光學專輯——導讀[J];光電工程;2017年02期

2 陳元安;李芳;;表面等離子體光子學的發(fā)展與應用[J];商丘職業(yè)技術學院學報;2015年02期

3 趙華君;程正富;石東平;張東;;局域表面等離子體研究進展[J];重慶文理學院學報(自然科學版);2011年02期

4 董娜;;基于類表面等離子體的一種新型低通濾波器[J];中國新通信;2017年15期

5 鐘任斌;周俊;劉維浩;劉盛綱;;漸變結構仿表面等離子體太赫茲傳輸線研究[J];電子學報;2012年09期

6 陳聰;王沛;苑光輝;王小蕾;閔長俊;鄧燕;魯擁華;明海;;基于表面等離子體效應的光開關研究現(xiàn)狀和進展[J];物理;2008年11期

7 蔡浩原;;高分辨率表面等離子體顯微鏡綜述[J];中國光學;2014年05期

8 張兵心;陳淑芬;付雷;鄒正峰;孟彥彬;;基于表面等離子體激發(fā)的光學操控技術[J];中國激光;2012年06期

9 顧本源;;表面等離子體亞波長光學原理和新穎效應[J];物理;2007年04期

10 從恒斌;利用表面等離子體的激光共振增強傳感器的敏感特性[J];機械設計與制造;1996年02期

相關會議論文 前10條

1 沈楊;金崇君;;銀納米嘴陣列中的可調諧表面等離子體諧振[A];第九屆全國光學前沿問題討論會論文摘要集[C];2011年

2 朱薇;陸衛(wèi)兵;詹琪;;基于石墨烯表面等離子體極化波可變傳輸寬度波導設計[A];2013年全國微波毫米波會議論文集[C];2013年

3 曹爍暉;蔡偉鵬;謝堂堂;劉倩;劉曉慶;李耀群;;基于表面等離子體耦合定向熒光的生物傳感研究[A];中國化學會第27屆學術年會第09分會場摘要集[C];2010年

4 張小明;王勝磊;肖君軍;;表面等離子體微納顆粒光學微操控與散射特性研究[A];“廣東省光學學會2013年學術交流大會”暨“粵港臺光學界產學研合作交流大會”會議手冊論文集[C];2013年

5 明海;王沛;魯擁華;;金屬復合微納結構的表面等離子體的全光調控和傳感的研究[A];2008介觀光學及其應用研討會論文集[C];2008年

6 王同標;劉念華;于天寶;廖清華;;表面等離子體在側向耦合波導中的傳輸特性[A];第十五屆全國量子光學學術報告會報告摘要集[C];2012年

7 李耀群;;帶成像功能的表面等離子體耦合熒光定向發(fā)射系統(tǒng)的研究[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第03分會：分析可視化及交叉學科新方法[C];2014年

8 梅霆;;表面等離子體的電泵有源操控[A];第九屆全國光學前沿問題討論會論文摘要集[C];2011年

9 金崇君;;金蘑菇陣列局域表面等離子體傳感器及其應用[A];“廣東省光學學會2013年學術交流大會”暨“粵港臺光學界產學研合作交流大會”會議手冊論文集[C];2013年

10 陳敏;劉倩;曹爍暉;霍斯欣;潘曉會;翟艷云;李耀群;;具備軸向分辨的多角度表面等離子體耦合發(fā)射熒光顯微成像技術[A];第十屆全國化學生物學學術會議論文摘要集（墻報）[C];2017年

相關重要報紙文章 前2條

1 比利時魯汶大學化學系博士生 蘇亮;表面等離子體助力太陽能電池提效[N];中國能源報;2012年

2 記者 李秋怡;到2015年 攻克300項核心技術[N];四川日報;2012年

相關博士學位論文 前10條

1 何德;基于共振天線的結構顏色和分子傳感器件研究[D];電子科技大學;2019年

2 姬蘭婷;基于表面等離子體效應的聚合物光波導器件研究[D];吉林大學;2019年

3 孟力俊;納米尺度上若干光學諧振現(xiàn)象的研究[D];浙江大學;2019年

4 陳志紅;表面等離子體波導光傳播調控技術研究[D];上海交通大學;2015年

5 鄭凱;混合表面等離子體波導的研究[D];西北工業(yè)大學;2017年

6 程桂青;聚合物誘導和調控金納米棒的表面等離子體手性自組裝[D];吉林大學;2019年

7 黃雨;表面等離子體近場成像的有限元法模擬與分析[D];清華大學;2016年

8 施學良;基于表面等離子體的新型光子器件研究[D];浙江大學;2014年

9 邸岳淼;水體痕量污染物表面等離子體檢測技術研究與實驗[D];浙江大學;2006年

10 任希鋒;高維糾纏和表面等離子體輔助光傳送的實驗研究[D];中國科學技術大學;2006年

相關碩士學位論文 前10條

1 萬曄;人工表面等離子體結構的散射和傳輸特性研究[D];電子科技大學;2019年

2 郭云峰;金屬—電介質—金屬型表面等離子體光柵耦合模式優(yōu)化仿真研究[D];桂林電子科技大學;2019年

3 王迪;表面等離子體動態(tài)全息成像的理論研究[D];長春理工大學;2019年

4 馬宏博;基于空間光調制的表面等離子體動態(tài)全息設計與實驗研究[D];長春理工大學;2019年

5 伊興春;MDM表面等離子體光波導的Fano傳輸特性研究[D];山西大學;2019年

6 龔海彬;太赫茲金屬陣列局域表面等離子體氣體傳感技術研究[D];深圳大學;2018年

7 黎曉明亮;基于阿基米德螺旋結構的光捕獲和光操控研究[D];蘭州大學;2019年

8 邵泓焰;超表面等離子體成像系統(tǒng)設計及其光學效應研究[D];江南大學;2018年

9 陳子男;組分可控的AZO薄膜生長及光學特性研究[D];長春理工大學;2018年

10 蔡昕e

本文編號：2748803