本文關(guān)鍵詞：基于金屬納米結(jié)構(gòu)的光傳輸特性及其應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 表面等離子體激元 混合等離子體波導(dǎo) 納米傳感器 折射率 溫度

【摘要】：表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是在金屬表面自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿�。由于表面等離子體激元能克服光的衍射極限,因此利用表面等離子體激元能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)信號(hào)在納米尺度的傳輸、處理及相關(guān)應(yīng)用。開展對(duì)表面等離子體激元的物理機(jī)制以及特性的研究,將在理論上加深人們對(duì)光與金屬納米結(jié)構(gòu)相互作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)；此外,對(duì)基于表面等離子體激元的納米光電子器件的研究,將促進(jìn)集成光路、光波導(dǎo)、生物光子學(xué)等的研究進(jìn)展。針對(duì)金屬納米結(jié)構(gòu)的光傳輸特性、調(diào)控手段及傳感應(yīng)用等問題,本論文主要采用電磁波流行的仿真方法--有限元方法(Finite Element Method, FEM)和時(shí)域有限差分方法(Finite Difference Time Domain, FDTD)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：(1)對(duì)混合等離子體波導(dǎo)的研究,本文提出并研究了一種介質(zhì)微環(huán)-金屬薄膜-介質(zhì)微環(huán)結(jié)構(gòu)混合等離子體波導(dǎo)。我們利用有限元方法計(jì)算并分析了微環(huán)與金屬薄膜間SPPs模式分布、模式面積、長(zhǎng)程傳輸、SPPs模式與圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)模之間的耦合強(qiáng)度等。研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能顯著增強(qiáng)耦合效應(yīng),該結(jié)構(gòu)的SPPs模和介質(zhì)波導(dǎo)模在大的狹縫寬度(400mn)也能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)耦合,而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合時(shí),狹縫寬度需要保持在幾十個(gè)納米范圍內(nèi)。更為重要的是,研究表明介質(zhì)微環(huán)與金屬薄膜距離h和微環(huán)直徑D的變化對(duì)模式耦合影響很小,這對(duì)抑制結(jié)構(gòu)缺陷帶來的不利影響是非常有利的。該研究顯示了該混合等離子體波導(dǎo)的優(yōu)越性,這對(duì)設(shè)計(jì)高效等離子體微納激光器提供了一條途徑。(2)通過有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 4.3b建模仿真,提出了一種具有超高靈敏度的SPPs折射率傳感器。該納米傳感器主體結(jié)構(gòu)由兩根SPPs波導(dǎo)與納米共振環(huán)耦合組成。首先分析了在金屬-介質(zhì)-金屬(metal-insulator-metal, MIM)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中,介質(zhì)折射率對(duì)SPPs有效折射率的影響,通過數(shù)值計(jì)算,分析了MIM波導(dǎo)與納米環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的SPPs傳輸特性,之后通過調(diào)查探測(cè)樣品折射率對(duì)傳輸譜的影響來系統(tǒng)研究該結(jié)構(gòu)的傳感特性。我們的研究表明該結(jié)構(gòu)的傳輸譜存在三個(gè)傳輸峰,所有峰值波長(zhǎng)(共振波長(zhǎng))的漂移與探測(cè)材料的折射率成線性關(guān)系。另外,通過研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器探測(cè)靈敏度的影響,我們對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后該折射率傳感器靈敏度超過先前報(bào)道,高達(dá)3460nmRIU-1,該值約為先前報(bào)道最高值的3.3倍；再則,該結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成溫度靈敏度高達(dá)1.36nm/℃的納米溫度傳感器。該研究為納米折射率傳感器及納米溫度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了十分重要的理論工作基礎(chǔ)。(3)提出了一種SPR納米傳感器,其結(jié)構(gòu)為單三角形缺陷的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)(metal-insulator-metal, MIM)等離子體波導(dǎo),與傳統(tǒng)的MIM波導(dǎo)相比,該結(jié)構(gòu)能在缺陷區(qū)引起局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonances, LSPR)從而產(chǎn)生共振吸收,因此可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波功能,從而可以當(dāng)作SPPs濾波器使用。研究結(jié)果表明：由于局域表面等離子體共振吸收使得該結(jié)構(gòu)的傳輸譜存在凹點(diǎn),且傳輸譜上的凹點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與三角形缺陷的高、寬有關(guān)；此外,與凹點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光波通過該結(jié)構(gòu)時(shí),在缺陷區(qū)域會(huì)展現(xiàn)最大的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。由于局域表面等離子共振對(duì)周圍介質(zhì)材料折射率變化非常敏感,因此我們利用該特性把該金屬納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)納米尺度的SPR傳感器。通過二維有限元方法(2D FEM)建模,我們對(duì)其折射率傳感特性和溫度傳感特性進(jìn)行了分析,計(jì)算結(jié)果表明其傳輸譜凹點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與探測(cè)介質(zhì)材料的折射率以及環(huán)境溫度都成線性關(guān)系。通過研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感靈敏度的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)三角形缺陷的項(xiàng)角比較尖銳時(shí),該納米傳感器不僅能獲得較高的傳感靈敏度(1736nmRIU-1),也能獲得較高的品質(zhì)因數(shù)(9.79)。該器件的小型化和構(gòu)造的簡(jiǎn)單化便于其與芯片集成。(4)首次提出了一個(gè)納米尺度的表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)型溫度傳感器,并通過理論分析和數(shù)值模擬對(duì)其溫度傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該納米溫度傳感器由金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)SPPs波導(dǎo)和乙醇密封矩形腔耦合構(gòu)成。本文研究了該結(jié)構(gòu)的電磁波傳輸、場(chǎng)強(qiáng)分布、溫度傳感特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫度靈敏度、耦合強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)在銀-乙醇-銀的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中,SPPs的有效折射率隨著溫度的增加而線性減小。該溫度傳感器的傳輸譜在600nm～1800nm存在兩個(gè)傳輸峰,峰值波長(zhǎng)隨著溫度的升高發(fā)生藍(lán)移。進(jìn)一步分析表明傳輸峰值波長(zhǎng)與溫度具有線性的關(guān)系,通過探測(cè)共振峰的變化從而可以探測(cè)環(huán)境溫度�；诙S時(shí)域有限差分法(2D FDTD)的仿真結(jié)果表明：該納米溫度傳感器的靈敏度與矩形腔長(zhǎng)、高以及密封在納米矩形腔內(nèi)的液體的熱光系數(shù)有關(guān),該結(jié)構(gòu)能獲得-0.65nm/℃的溫度傳感靈敏度。此外,由于調(diào)節(jié)溫度就可以控制其帶通濾波特性,因此該結(jié)構(gòu)可以當(dāng)作可調(diào)的帶通濾波器使用。該研究結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)納米尺度的光電子器件具有一定的指導(dǎo)意義。這是首次提出并系統(tǒng)分析利用SPPs波導(dǎo)做納米溫度傳感器,我們的研究有利于拓展SPPs波導(dǎo)的應(yīng)用范圍。(5)研究了單缺陷矩形納米腔中的雙法諾(Fano)共振效應(yīng)及其在傳感中的應(yīng)用。單缺陷矩形納米腔在腔的邊界處與MIM波導(dǎo)進(jìn)行耦合,該部分研究了單缺陷矩形納米腔在結(jié)構(gòu)參數(shù)以及探測(cè)介質(zhì)材料折射率變化條件下的光學(xué)特性,主要闡述了該金屬微納結(jié)構(gòu)中雙Fano共振現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制,結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Fano共振的影響以及Fano共振在納米傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過對(duì)Fano共振線型的優(yōu)化,提高了折射率傳感、生物傳感的靈敏度及品質(zhì)因數(shù)。我們的研究將有‘助于人們更好地理解金屬納米結(jié)構(gòu)中的Fano共振產(chǎn)生機(jī)制,對(duì)于設(shè)計(jì)滿足Fano共振要求的金屬微結(jié)構(gòu)光電子器件具有一定指導(dǎo)意義。(6)提出了一種大小不一的雙納米圓盤與MIM波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的SPPs濾波器,并采用二維時(shí)域有限差分法(2D FDTD)研究了其濾波特性,發(fā)現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)輸入波導(dǎo)上部、下部?jī)蓚�(gè)納米圓盤各自存在兩個(gè)共振波長(zhǎng),使得輸出信道1、2也都對(duì)應(yīng)存在兩個(gè)傳輸峰,共振波長(zhǎng)可以通過納米圓盤的半徑來調(diào)節(jié),另外發(fā)現(xiàn)納米圓盤與MIM波導(dǎo)的耦合距離是影響傳輸損耗以及譜線帶寬的一個(gè)重要因素。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)圓盤是獨(dú)立工作的,且各圓盤的共振波長(zhǎng)對(duì)填充在其內(nèi)的探測(cè)樣品折射率變化非常敏感,我們可以利用該特性把該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多參量納米傳感器,使得其可以應(yīng)用到納米復(fù)雜環(huán)境的檢測(cè)中去。通過把兩根輸出波導(dǎo)向左延伸適當(dāng)長(zhǎng)度,利用相消干涉,可以實(shí)現(xiàn)信道的單帶寬傳輸,兩個(gè)納米圓盤的中間對(duì)稱的延長(zhǎng)線位置再增加兩根輸出波導(dǎo),可以把該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)4信道SPPs解復(fù)用器,使得4個(gè)共振波長(zhǎng)分離并在不同的信道傳輸。該結(jié)構(gòu)在未來光通信和光傳感可能具有一定應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：表面等離子體激元 混合等離子體波導(dǎo) 納米傳感器 折射率 溫度
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-40
• 1.1 表面等離子體激元13-22
• 1.2 局域表面等離子體激元22-26
• 1.3 金屬介電常數(shù)的色散模型26-30
• 1.4 仿真中采用的數(shù)值計(jì)算方法30-32
• 1.5 本論文的主要工作32-34
• 參考文獻(xiàn)34-40
• 第二章 混合表面等離子波導(dǎo)的模式耦合特性研究40-50
• 2.1 引言40-41
• 2.2 模型和理論41-42
• 2.3 仿真結(jié)果及分析42-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 參考文獻(xiàn)47-50
• 第三章 狹縫波導(dǎo)與環(huán)型諧振腔耦合結(jié)構(gòu)的傳感特性研究50-64
• 3.1 引言50-51
• 3.2 模型結(jié)構(gòu)與理論分析51-52
• 3.3 折射率傳感特性研究52-55
• 3.4 溫度傳感特性研究55-56
• 3.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感靈敏度的影響56-59
• 3.6 本章小結(jié)59
• 參考文獻(xiàn)59-64
• 第四章 基于單缺陷狹縫波導(dǎo)的SPR傳感器64-77
• 4.1 引言64
• 4.2 表面等離子體共振傳感原理64-66
• 4.3 基于單三角形缺陷狹縫波導(dǎo)的SPR傳感器理論模型66-68
• 4.4 單三角形缺陷狹縫波導(dǎo)的傳輸特性研究68-70
• 4.5 單三角形缺陷狹縫波導(dǎo)的傳感特性研究70-73
• 4.6 本章小結(jié)73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 第五章 基于乙醇填充矩形腔的納米溫度傳感器77-89
• 5.1 引言77-78
• 5.2 理論模型及傳感器原理78-81
• 5.3 仿真結(jié)果與分析81-85
• 5.4 本章小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-89
• 第六章 單缺陷納米腔中的雙Fano共振及其傳感研究89-104
• 6.1 引言89-91
• 6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法91-93
• 6.3 單缺陷金屬納米腔中的雙Fano共振效應(yīng)93-95
• 6.4 Fano共振傳感特性研究95-99
• 6.5 本章小結(jié)99
• 參考文獻(xiàn)99-104
• 第七章 基于雙納米圓盤的多功能SPPs濾波器104-116
• 7.1 引言104-105
• 7.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析105-107
• 7.3 雙圓盤與狹縫波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的濾波特性研究107-109
• 7.4 雙納米圓盤多參量傳感特性分析109-111
• 7.5 基于雙納米圓盤的SPPs解復(fù)用器111-112
• 7.6 本章小結(jié)112-113
• 參考文獻(xiàn)113-116
• 第八章 總結(jié)與展望116-120
• 8.1 論文總結(jié)116-118
• 8.2 未來工作展望118-120
• 致謝120-122
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文122

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 張晉紅;吳風(fēng)林;;有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J];建材技術(shù)與應(yīng)用;2007年04期

2 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

，

本文編號(hào)：844806