發(fā)布時間：2017-12-07 23:08

  本文關(guān)鍵詞：微納超材料結(jié)構(gòu)的超分辨成像和超吸收特性的研究

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【摘要】：表面等離子體是由于入射電磁波與金屬表面的自由電子共振而在金屬/介質(zhì)交界面上形成的一種表面電磁波。由于其很強的局域性和大平面動量的特性,使得表面等離子體被應(yīng)用在生物傳感器、非線性光學(xué)、超分辨成像以及完美吸收體等很多方面。微納超材料是一種基于表面等離子體的人工設(shè)計的金屬/介質(zhì)的材料。由于表面等離激元共振,使得超材料結(jié)構(gòu)具有許多獨特的光學(xué)特性。研究微納超材料結(jié)構(gòu)里的表面等離子體特性,對設(shè)計優(yōu)異性能的微納光子器件具有重要的意義。然而,目前的微納超材料結(jié)構(gòu)還存在表面等離子體的波矢不高,吸收帶寬不寬等問題,對于超分辨成像的高分辨率和可見光全波段高吸收的要求還存在一定的差距。為了解決以上問題,本論文圍繞著微納超材料結(jié)構(gòu)在超分辨光學(xué)成像、完美吸收體上的應(yīng)用進行研究,主要做的研究工作和取得的研究成果如下。1、在超分辨光學(xué)成像方面的工作。(1)設(shè)計了漸變介電常數(shù)超材料結(jié)構(gòu)(GPMS)。該結(jié)構(gòu)由交替的金屬和介質(zhì)組成,其中介質(zhì)的介電常數(shù)是漸變的。采用嚴格的時域有限差分軟件FDTD Solutions進行電磁場分布的數(shù)值模擬,得到了GPMS產(chǎn)生表面等離子體駐波的周期是84 nm(入射光波長是532 nm)。然后將GPMS應(yīng)用于表面等離子體-結(jié)構(gòu)光照明(PSIM),通過仿真得到了小于45 nm的成像分辨率,相比于傳統(tǒng)的油浸顯微鏡,分辨率提高了5.6倍。(2)在上述工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種三明治超材料結(jié)構(gòu)(MSS),得到了31 nm周期的SPs駐波(入射光波長是532 nm)。將其運用于結(jié)構(gòu)光成像中,可以得到小于16 nm的分辨率。同時還對該結(jié)構(gòu)進行理論解析方法和FDTD仿真計算方法的對比分析,驗證了結(jié)果的有效性。(3)生物樣品在人體中是動態(tài)的,而目前的超分辨成像方法只是對生物樣品進行準靜態(tài)的成像。本論文設(shè)計了一種納米腔超材料結(jié)構(gòu)(MNCP),該結(jié)構(gòu)可以和微流體系統(tǒng)結(jié)合,聯(lián)合以后可以對生物樣品進行實時動態(tài)的成像。利用設(shè)計的納米腔結(jié)構(gòu),得到了105 nm周期的SPs駐波(入射光波長是532 nm)。將其運用于結(jié)構(gòu)光成像中,可以得到60 nm的兩點分辨率。同時利用FDTD仿真算法,對熒光分子在該結(jié)構(gòu)的傳播進行分析,驗證了納米腔結(jié)構(gòu)成像的有效性。2、在超吸收特性研究方面的研究工作。(1)設(shè)計了微風車超材料結(jié)構(gòu),利用該結(jié)構(gòu)可以在4個目標頻率處得到超過91%的吸收率。這4個目標頻率對應(yīng)著4種毒品在1.4-2.7 THz波段的吸收峰。利用FDTD算法分析了該結(jié)構(gòu)吸收的物理機理。數(shù)值模擬結(jié)果表明,所設(shè)計的微風車超材料結(jié)構(gòu)在局域表面等離子體共振、慢光效應(yīng)和法布里-泊羅共振共同作用下,實現(xiàn)對THz波的高吸收。分析了結(jié)構(gòu)誤差對吸收率的影響:亞單元之間的間隔對吸收率的影響較大,而扇形頂點處的半徑對吸收率幾乎沒有影響。(2)提出了一種基于分層體系的隨機納米粒子模型。該模型在可見光波段(400-900 nm)內(nèi)的吸收率高達90%。與傳統(tǒng)的三明治吸收器相比,隨機納米粒子在光吸收方面起到很重要的作用。高吸收率可以歸功于局域表面等離子體共振、在Ti O2介質(zhì)中填充的Au納米粒子的強散射效應(yīng)。最后分析和討論了隨機納米粒子不同參數(shù)對吸收率的影響。研究發(fā)現(xiàn)納米粒子半徑的范圍越大、數(shù)量越大(即納米粒子很密集),越不利于吸收率的提高。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O43

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