本文關鍵詞： 表面等離子激元 金屬光柵 納米傳感器 異常的光學現(xiàn)象　出處：《大連理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：表面等離子激元是一種表面波,其本質是金屬與介質分界面上光與自由電子之間相互作用而引起的電磁振蕩,具有近場增強、亞波長局域和聚焦、超分辨成像等特性,這些特性使其在高靈敏度傳感、亞波長波導、高分辨率光學顯微鏡、納米光刻、超材料等領域有著廣泛的應用前景。隨著微納理論研究的深入及加工技術的進步,表面等離子激元器件異常的光學特性及其巨大的應用潛力已經成為當前光子學中最富有科學意義與開發(fā)價值的研究領域之一。本論文以金屬光柵和金屬納米孔陣列為基礎,旨在探索表面等離子激元在復雜金屬納米結構異常光學特性中所起的作用,應用時域有限差分法和有限元法,針對金屬光柵結構的異常透射現(xiàn)象、利用納米結構提高表面等離子共振傳感器的性能及基于金屬納米孔和環(huán)孔陣列的傳感器件設計等方面進行了研究。論文的主要工作如下：首先,為了研究表面等離子激元在金屬光柵結構的異常透射現(xiàn)象中所起的作用,我們設計了四種微納光柵結構,揭示了它們所呈現(xiàn)的光學現(xiàn)象的物理機制。從無基底金屬光柵結構入手,解釋了該結構透射最小值和最大值產生的原因；設計了一種非線性橢圓墻金屬光柵結構,揭示了該結構中非共振寬帶異常透射現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,該結構可用于設計可見光波段的寬帶寬和高消光比的偏振器件；研究了金屬光柵波導結構,發(fā)現(xiàn)透射譜中的多個透射最小值和最大值與波導層厚度有關,分析了這些共振峰出現(xiàn)的原因,并發(fā)現(xiàn)該結構中的窄帶高吸收峰是由于三種共振模式同時激發(fā)而產生的；在單層金屬光柵的基礎上,研究了一種非對稱雙層金屬光柵波導結構,分析了該結構兩個透射最小值出現(xiàn)的原因,發(fā)現(xiàn)改變金屬層厚度可以調節(jié)透射最小值的位置和提高透射最小值角度容忍度,該結構可用于雙波長窄帶濾波器的設計。這些金屬光柵結構異常透射現(xiàn)象的研究對于光電子器件的小型化和集成化具有指導意義。第二,在利用納米結構來提高表面等離子共振傳感器的性能方面,為了提高傳統(tǒng)表面等離子共振傳感器檢測的線性度和靈敏度,我們設計了兩種納米結構與金屬層的復合結構。一種結構是將納米光柵結構和傳統(tǒng)SPR傳感器結合,該結構的反射譜中產生兩個最小值,當兩個結構之間的納米通道作為傳感區(qū)時,兩個最小值對傳感區(qū)折射率的響應成非線性互補變化,從而實現(xiàn)該結構對折射率高靈敏度且線性測量；另一種傳感結構是通過將金屬納米線嵌入到聚合物層來增強傳統(tǒng)SPR的靈敏度,研究發(fā)現(xiàn)盡管金屬納米線與金屬層之間的耦合強度不會影響結構的靈敏度,但金屬納米線結構的局域增強效應將較強的電磁場能量傳遞到與待測物相互作用的分界面,增強了該結構與待測物的相互作用,從而提高了傳感器的靈敏度。該研究對于提高表面等離子共振傳感器的性能具有重要的意義。第三,利用納米結構中不同等離子模式之間的耦合,在金屬納米孔傳感器設計的基礎上,我們設計了三種高靈敏度和品質因素的納米結構傳感器。從納米孔陣列傳感器的設計入手,研究了入射角和方位角的改變會引起表面等離子模式分裂,增加入射角可以顯著降低表面等離子模式在介質中的穿透深度,從而提高結構的表面靈敏度和降低檢測極限。利用納米結構中不同等離子模式之間的耦合設計了三種納米環(huán)孔陣列傳感器：對稱性介質基底環(huán)孔陣列、非對稱性金屬層基底橢圓環(huán)孔陣列、雙尺寸金屬基底橢圓環(huán)孔陣列；利用模式耦合理論分別揭示了三種納米結構中共振模式出現(xiàn)的原因；三種結構的共振峰都具有窄的線寬和好的傳感性能,尤其結構中的Fano共振,三種結構都可以用于傳感器設計。該研究為納米結構傳感器設計奠定一定的基礎。最后,總結了全文,對未來的研究方向進行了分析和展望,今后將在集成光電子器件和納米結構生物傳感器方面開展進一步的研究工作。
[Abstract]:Surface plasmon polariton is a kind of surface wave , its essence is the electromagnetic oscillation caused by the interaction between the light and free electrons on the boundary surface of metal and medium , and has wide application prospect in the fields of high sensitivity sensing , subwavelength local area , high resolution optical microscope , nano lithography , metamaterial and so on . Three kinds of nano - structured sensors with high sensitivity and quality are designed based on the coupling between different plasma modes in the nano - structure . Three kinds of nano - ring array sensors are designed based on the design of nano - hole array sensors . Three kinds of nano - ring - hole array sensors are designed based on the design of nano - hole array sensor . Three kinds of nano - ring - hole array sensors are designed based on the coupling between different plasma modes .

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN25;TP212
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本文編號：1459469