本文關(guān)鍵詞：金屬—介質(zhì)混合型光子微納結(jié)構(gòu)光學(xué)共振模式性質(zhì)研究

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【摘要】：光子微納結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今光電子行業(yè)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,涉及到光子晶體、表面等離激元(SPP)、超材料等一系列炙手可熱的方向。該研究領(lǐng)域的特點(diǎn)在于可通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的各種性質(zhì)進(jìn)行有效調(diào)控。目前為止光子微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)有了近30年的研究歷史。在這期間,很多問題被一一解決,其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)受到諸多領(lǐng)域的高度重視。但不可否認(rèn)現(xiàn)如今依舊有很多問題亟待解決,例如金屬結(jié)構(gòu)中的吸收損耗問題便是其中最突出的問題之一。 本論文針對(duì)光子微納結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)制備以及光譜表征手段進(jìn)行了一定程度的探討。在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)周期性金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)所支持的光學(xué)共振模式對(duì)自發(fā)輻射的調(diào)控進(jìn)行了深入分析。主要研究成果如下： (1)對(duì)傳統(tǒng)的微腔毛細(xì)法進(jìn)行了改進(jìn),通過選用合適的小球濃度和銅絲直徑,利用毛細(xì)管力和表面張力成功制備了不同直徑單層聚苯乙烯膠體小球晶體,簡(jiǎn)化了光子微納結(jié)構(gòu)的制備工藝,降低了制備成本。 (2)通過深入的理論分析和光學(xué)輔助仿真技術(shù),設(shè)計(jì)并搭建了宏觀角分辨和顯微角分辨光譜系統(tǒng),該類設(shè)備可以方便快速地測(cè)試光子微納結(jié)構(gòu)對(duì)特定角度電磁波的響應(yīng)。特別是顯微系統(tǒng),它具有角度分辨率高、入射光斑尺寸小,測(cè)試過程方便快捷等優(yōu)勢(shì),并可通過一次性拍照方式獲取所研究材料的光子能帶結(jié)構(gòu)和等頻圖。 (3)通過數(shù)值計(jì)算和角分辨光譜技術(shù)研究了平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明這種周期性金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)同時(shí)支持局域在金屬表面的表面等離激元光學(xué)共振模式和局域在周期性介質(zhì)內(nèi)部的波導(dǎo)模式,這兩種光學(xué)共振模式都具有很好的色散特性,而且在這種混合型結(jié)構(gòu)中表面等離激元模式比傳統(tǒng)的全金屬結(jié)構(gòu)具有更低的傳輸損耗和更長(zhǎng)的傳輸距離。這可以為解決傳輸型SPP吸收損耗問題提供一種全新的思路,并可能被用于設(shè)計(jì)低損耗、高性能的光電子器件。 (4)從時(shí)間和空間相干性出發(fā)深入研究了光學(xué)共振模式對(duì)自發(fā)輻射的調(diào)控效應(yīng)。當(dāng)發(fā)光體的空間分布和波長(zhǎng)與平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結(jié)構(gòu)中表面共振模式相吻合時(shí),成功利用漏模對(duì)自發(fā)輻射的強(qiáng)度、方向、時(shí)間壽命、空間相干性進(jìn)行了有效地調(diào)控。研究表明該結(jié)構(gòu)可以在對(duì)發(fā)光強(qiáng)度影響較小的情況下,通過電磁場(chǎng)與表面模式的弱耦合作用將一個(gè)非相干光源轉(zhuǎn)換成部分相干光源。這種獲得相干光源的方法將在光學(xué)成像,光學(xué)傳感等諸多方面產(chǎn)生積極影響。 (5)以平金屬表面覆蓋周期性膠體小球結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用FDTD算法研究了該結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的一些新奇的光學(xué)性質(zhì)。理論研究表明這種混合結(jié)構(gòu)對(duì)壓應(yīng)力異常敏感,為基于SPP的壓力傳感器件的設(shè)計(jì)提供了一種新模型。同時(shí)由于表面模式的存在以及較強(qiáng)的局域電磁場(chǎng),使得該樣品表現(xiàn)出較強(qiáng)的幾何結(jié)構(gòu)旋光性,即在電磁波斜入射的情況下對(duì)左旋和右旋圓偏振光的光譜響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異性。
【關(guān)鍵詞】：光子微納結(jié)構(gòu) 表面等離激元 角分辨光譜 光學(xué)共振模式 光子能帶 光子等頻圖 相干性 SPP傳感器
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O441.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-33
• 1.1 光子晶體11-17
• 1.2 表面等離激元17-25
• 1.3 超材料25-28
• 1.4 金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)28-31
• 1.5 光子微納結(jié)構(gòu)研究中存在的問題31-33
• 2 光子微納結(jié)構(gòu)的制備與理論模擬方法33-44
• 2.1 單層膠體小球的自組裝技術(shù)34-39
• 2.2 光子微納結(jié)構(gòu)的理論模擬方法39-44
• 3 光子能帶結(jié)構(gòu)與光子等頻圖測(cè)試系統(tǒng)44-57
• 3.1 宏觀角分辨光譜測(cè)試系統(tǒng)45-47
• 3.2 顯微角分辨光譜測(cè)試系統(tǒng)47-55
• 3.3 小節(jié)55-57
• 4 周期性金屬—介質(zhì)型光子微納結(jié)構(gòu)光學(xué)共振模式57-70
• 4.1 樣品結(jié)構(gòu)及制備方法58-59
• 4.2 光學(xué)性質(zhì)表征與討論59-67
• 4.3 高靈敏度的化學(xué)物質(zhì)傳感器67-69
• 4.4 小結(jié)69-70
• 5 周期性金屬—介質(zhì)型光子微納結(jié)構(gòu)對(duì)熒光特性的調(diào)控70-89
• 5.1 樣品結(jié)構(gòu)與理論模型70-75
• 5.2 熒光定向增強(qiáng)輻射75-77
• 5.3 熒光相干性調(diào)控77-88
• 5.4 小節(jié)88-89
• 6 二維小球結(jié)構(gòu)表面模式特殊光學(xué)性質(zhì)的理論研究89-100
• 6.1 表面等離激元傳感器89-95
• 6.2 光學(xué)共振模式的旋光特性95-99
• 6.3 小節(jié)99-100
• 7 總結(jié)與展望100-103
• 7.1 主要工作及結(jié)論100-101
• 7.2 工作展望101-103
• 致謝103-105
• 參考文獻(xiàn)105-117
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄117

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本文編號(hào)：797621