本文關(guān)鍵詞：表面等離激元微腔共振特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：表面等離激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是金屬表面的集群振蕩自由電子與外界電磁波耦合激發(fā)所形成的一種表面電磁波。在多個(gè)SPP共振單元構(gòu)成的體系中,共振單元之間的相互作用直接決定了整個(gè)體系的光學(xué)特性。根據(jù)共振單元之間的距離,這種作用可以分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)相互作用。對(duì)于近場(chǎng)情況,SPP共振單元通過(guò)耦合作用形成雜化的SPP模式。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)情況,SPP共振單元在法布里-珀羅(Fabry-Pérot,FP)腔模式的輔助下發(fā)生相互作用,使得兩個(gè)SPP共振單元構(gòu)成了一個(gè)表面等離激元微腔。得益于SPP的諸多特性,如具有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)、對(duì)外界折射率變化敏感、且能夠被局域在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi),SPP微腔在表面增強(qiáng)拉曼散射、熒光增強(qiáng)、太陽(yáng)能電池、生化傳感器、亞波長(zhǎng)光刻、光子集成回路等諸多方面發(fā)揮著重要作用。最近,國(guó)內(nèi)外對(duì)于表面等離激元微腔的研究尚處于起步階段,還需對(duì)其進(jìn)行全面深入的研究。目前針對(duì)于表面等離激元微腔還有諸多問(wèn)題尚未探究,例如表面等離激元微腔內(nèi)如SPP模式、FP腔模式、波導(dǎo)模式等多種模式之間的相互作用的機(jī)理分析;SPP共振單元形狀,材質(zhì)對(duì)表面等離激元微腔內(nèi)各種模式的影響;表面等離激元微腔的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)其光譜響應(yīng)的影響;拓展型表面等離激元微腔中存在的特殊光學(xué)性質(zhì)�；谝陨蠁�(wèn)題,本論文將對(duì)幾種不同類型的金屬-介質(zhì)復(fù)合微腔的相關(guān)光學(xué)特性進(jìn)行研究,如SPP模式之間的雜化、SPP模式與FP腔模式相互作用、SPP模式與波導(dǎo)模式相互作用、多種模式之間的反交叉行為以及單向光譜響應(yīng)、納米噴射等特性。提出了一種以兩套雙金屬光柵構(gòu)成的表面等離激元微腔,研究了這種微腔中的SPP布洛赫模式、FP腔模式、波導(dǎo)模式之間的相互作用。研究表明SPP布洛赫模式通過(guò)近場(chǎng)耦合形成了四種雜化模式。改變介質(zhì)折射率環(huán)境,這種模式雜化行為可以被有效控制。當(dāng)腔內(nèi)填充高折射率介質(zhì)時(shí),腔內(nèi)支持的波導(dǎo)模式和SPP布洛赫模式發(fā)生耦合而形成波導(dǎo)等離激元模式。根據(jù)模式對(duì)稱性和相對(duì)相移理論闡明了雜化的SPP布洛赫模式與FP腔模式之間的反交叉作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)改變兩套雙金屬光柵之間的橫向相對(duì)位置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)模式之間的反交叉行為的控制。雙金屬光柵構(gòu)成的SPP微腔在亞波長(zhǎng)光刻、可調(diào)SPP濾波器、光與物質(zhì)相互作用等方面都具有一定應(yīng)用價(jià)值。提出了一種以兩套具有不同厚度的金屬納米帶陣列構(gòu)成的表面等離激元微腔,研究了這種微腔的單向光譜響應(yīng)。研究表明當(dāng)TM波照射微腔激發(fā)FP共振時(shí),對(duì)于正向入射波,SPP微腔表現(xiàn)出吸收器特性,而對(duì)于反向入射波,SPP微腔則表現(xiàn)出反射器特性。分析表明將兩個(gè)非對(duì)稱金納米帶陣列視為微腔的兩個(gè)強(qiáng)色散反射鏡面,可發(fā)現(xiàn)納米帶的局域表面等離激元(Localized SurfacePlasmon,LSP)共振所產(chǎn)生的反射相移是單向光譜響應(yīng)形成的關(guān)鍵�；诙啻胃缮胬碚摵蛡鬏斁�模型,闡明了非對(duì)稱表面等離激元微腔的單向光譜響應(yīng)的形成機(jī)理。此部分工作為金屬微結(jié)構(gòu)的光譜控制和微腔內(nèi)光與物質(zhì)的相互作用的研究提供了一種新的思路。非對(duì)稱金屬納米帶陣列構(gòu)成的SPP微腔在方向相關(guān)的SPP調(diào)控器、單向熱輻射方面具有潛在價(jià)值。提出了一種以金屬薄膜與微米量級(jí)介質(zhì)圓盤構(gòu)成的復(fù)合表面等離激元微腔。研究發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)圓盤和金屬薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)中,SPP在介質(zhì)圓盤邊緣陰影區(qū)可形成SPP納米噴射現(xiàn)象。研究表明SPP納米噴射具有與光子納米噴射類似的性質(zhì):可沿著傳播方向傳播一到兩個(gè)波長(zhǎng)并且保持亞波長(zhǎng)束腰寬度。由于表面等離激元具有電磁場(chǎng)增強(qiáng)和亞波長(zhǎng)局域特性,SPP納米噴射可束縛在金屬表面,且其電場(chǎng)有約30倍的增強(qiáng)。研究表明SPP納米噴射與光子納米噴射具有相同的形成機(jī)理,但對(duì)于SPP納米噴射而言,即使介質(zhì)圓盤的折射率不在最佳匹配情況下,也可通過(guò)改變介質(zhì)圓盤的厚度實(shí)現(xiàn)SPP納米噴射的激發(fā)。SPP納米噴射在拉曼散射增強(qiáng)、高靈敏度生化傳感器、集成化SPP回路等方面具有良好應(yīng)用前景。另外,首次提出利用SPP納米噴射實(shí)現(xiàn)介質(zhì)加載SPP波導(dǎo)模式的激發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)介質(zhì)圓盤邊緣與介質(zhì)脊之間具有適當(dāng)距離時(shí),SPP納米噴射可高效地耦合到介質(zhì)脊中,從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)承載SPP波導(dǎo)模式的高效率激發(fā)。
【關(guān)鍵詞】：表面等離激元 光學(xué)微腔 納米噴射 模式雜化 單向光譜響應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O441.4;O485
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-34
• 1.1 研究目的和意義12-13
• 1.2 表面等離激元13-26
• 1.2.1 表面等離激元發(fā)展歷程13-16
• 1.2.2 表面等離激元基本原理16-21
• 1.2.3 表面等離激元研究現(xiàn)狀21-26
• 1.3 表面等離激元微腔26-32
• 1.3.1 SPP單元之間的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)耦合特性26-28
• 1.3.2 金屬-介質(zhì)微腔中的SPP色散關(guān)系28-30
• 1.3.3 SPP光學(xué)微腔的研究意義與進(jìn)展30-32
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容32-34
• 第2章 雙金屬光柵復(fù)合微腔中的SPP模式耦合特性34-55
• 2.1 引言34-35
• 2.2 嚴(yán)格耦合波分析方法35-39
• 2.3 雙金屬光柵中的SPP布洛赫模式39-43
• 2.3.1 雙金屬光柵激發(fā)的SPP布洛赫模式分布39-42
• 2.3.2 金屬介電常數(shù)差異對(duì)SPP布洛赫模式的影響42-43
• 2.4 雙金屬光柵SPP微腔的模式耦合特性43-52
• 2.4.1 介質(zhì)折射率對(duì)稱分布的雙金屬光柵SPP微腔43-47
• 2.4.2 高折射率包覆層非對(duì)稱介質(zhì)折射率分布雙金屬光柵SPP微腔47-49
• 2.4.3 低折射率包覆層非對(duì)稱介質(zhì)折射率分布雙金屬光柵SPP微腔49-52
• 2.5 基于雙金屬光柵SPP微腔的可調(diào)光學(xué)濾波特性52-53
• 2.6 本章小節(jié)53-55
• 第3章 非對(duì)稱電磁超表面微腔的單向光譜響應(yīng)特性55-74
• 3.1 引言55-57
• 3.2 金屬納米帶陣列的光學(xué)特性57-60
• 3.2.1 納米帶陣列的光譜響應(yīng)57-59
• 3.2.2 納米帶陣列的反射相移59-60
• 3.3 非對(duì)稱電磁超表面微腔的光學(xué)特性60-65
• 3.4 非對(duì)稱電磁超表面微腔的單向光譜響應(yīng)機(jī)理分析65-72
• 3.4.1 非對(duì)稱電磁超表面微腔的單向光譜響應(yīng)的多次干涉理論分析65-69
• 3.4.2 非對(duì)稱電磁超表面微腔單向光譜響應(yīng)的傳輸線模型分析69-72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 第4章 金屬-介質(zhì)圓盤復(fù)合結(jié)構(gòu)的SPP納米噴射特性74-92
• 4.1 引言74-78
• 4.2 有限元方法和COMSOL MULTIPHYSICS基本介紹78-79
• 4.3 金屬-介質(zhì)圓盤復(fù)合結(jié)構(gòu)的SPP納米噴射79-86
• 4.3.1 SPP納米噴射基本性質(zhì)79-82
• 4.3.2 介質(zhì)圓盤的結(jié)構(gòu)和折射率對(duì)SPP納米噴射的影響82-86
• 4.4 SPP納米噴射與介質(zhì)承載SPP波導(dǎo)的模式耦合效應(yīng)86-91
• 4.5 本章小結(jié)91-92
• 結(jié)論92-95
• 參考文獻(xiàn)95-106
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果106-108
• 致謝108-109
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷109

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