二维等离激元纳米结构近场光学耦合现象的实验研究

发布时间：2020-04-04 19:27

【摘要】：在过去的十几年间,受益于微纳尺度上加工、操纵技术的持续进步和人们对微纳结构性质的深入了解,微纳光子学获得了长足的发展,并为信息、医疗、加工制造等各个科学或工业领域提供了各类新型手段和工具。而等离激元作为微纳光子学中重要的分支,在今天受到了广泛的关注。表面等离激元极化(SPP)是发生在金属-电介质附近的一种电子集群振荡波,它具备和其它波动形式类似的特征。SPP可以用波动方程描述,可以根据空间的边界条件表现出特定的模式,比如周期性条件下可产生能级和能带。SPP的丰富性质使它具有非常广阔的应用空间。利用不同形状的金属微纳结构,人们陆续实现了一系列SPP器件:天线、波导、滤波器、谐振子(腔)等。这些器件不仅丰富了光集成技术的元件库,也是研究纳米尺度上光与物质相互作用的重要工具。操纵SPP结构之间的耦合,是调控SPP结构光学特性的一种方法。根据P.Nordlander等人所提出的等离激元杂化模型,结构单元间耦合的引入可使单个SPP结构的能级发生改变;而耦合能常常取决于结构内的电荷分布和结构之间的相对空间位置。从这一理论出发,我们可以通过空间位置的操纵,来调控耦合等离激元系统的光学特性。本论文的绪论中,我们介绍了 SPPs的一般性原理,包括SPP的存在形式、SPP与空间模式的耦合、SPP模式之间的耦合。其中,局域SPP结构中的电荷分布和近场的耦合能直接相关联,是我们所格外关注的。同时,我们也在绪论中介绍了 SPP结构一些主要和具有代表性的应用。定量研究SPP结构之间耦合效应要求精密的距离控制,这对我们的实验装置提出了很高的要求。在这里,核心的部件是用作距离保持的石英音叉振子,其阻抗特性反映了耦合组件之间的范德瓦耳斯力,因而可用作力学传感器、用于精确标定等离激元结构间的距离。为满足实验所要求的高灵敏度,理解实验中的各种现象,我们为石英音叉振荡器设计了一种新的等效电路模型,替代传统的单谐振子等效电路。新设计中引入了音叉两臂之间的耦合项和损耗项,利用耦合和损耗的机制,我们可以解答一些单谐振子模型无法解释的现象,其中较为重要的结论包括,两臂的机械耦合,容许音叉在一定的质量不对称下,不出现声谱的分裂。根据等效电路的分析,可以获取一种控制音叉振子品质因数、制作高品质因数石英音叉振子的方法。在SPP结构中,因为电荷之间的耦合能随距离非线性增加,其光学性质在纳米尺度上具备对距离的强烈敏感性。针对这一效应,我们可以通过测量动态耦合的SPP系统的反射谱,来精确得获取亚纳米尺度上的距离信息。第三章节中,我们使用牛顿环方法,同步得采集不同距离上的光谱信息。固定的几何形状决定了这一方法能够以高精度给出相对距离。利用SPP结构之间的近场干涉,使用可以批量制作的金属纳米点阵,我们将待检测样品表面15nm的起伏转化为颜色的对比度。这种基于SPP的光学平板突破了传统光学平板在深亚波长尺度上的限制,提供了一种快速、低成本、高灵敏度的表面形貌检测方法。第四章中,利用高品质因数音叉振子,我们测量了光腔中的微弱光力,在这一测量过程中,可以充分排除掉伴生的热效应的干扰。实验证实我们设计的音叉振子在测力时具有极低的噪声,将光力测量的背景噪声控制在0.1皮牛顿以下,这也使它可能成为一类重要的微弱信号测量工具。
【图文】：

微波器件,光频,等离激元,器件

四种光频段等离激元器件与相应微波器件的对比［］４－２］］。从上到下依次逡逑是微波频段和光频段的天线（ａ，ｂ）、波导（ｃ，，邋ｄ）、滤波器（ｅ，邋ｆ）、慢波结构（ｇ，邋ｈ）。左逡逑侧为微波器件，右侧为对应的光器件。逡逑

等离激元,金属界面,波矢

Ｃ邋６｜邋＋邋６２逡逑代入公式１－３，可以发现，对于界面上的波矢夂而言，存在一个双曲极限：逡逑当似趋近于＝０／７＾时，夂趋近于无穷大。这个频率被称之为等离激元逡逑共振频率。用类似的方法，我们也可以得出，ＴＥ模式的电磁场无法在界面中传逡逑播。逡逑经过以上的讨论，我们得到了这样一＇种图像：在频率以下，外部电磁场逡逑在界面上诱导了沿着界面向无穷远处传播的ＳＰＰｓ。当然，实际上金属并不是理逡逑想的导体。由于金属电阻的存在，ＳＰＰ在界面上衰减，不能传播到无限远。逡逑无限大金属界面中的ＳＰＰｓ不能由真空中传播的电磁波激发。这一点可以从逡逑波矢匹配的角度来理解：ＳＰＰｓ的波矢大于真空中的电磁波波矢，由于动量守恒逡逑原理的限制，真空中传播的电磁波实际上并不能直接激发ＳＰＰｓ，因此需要引入逡逑一些特殊的结构，以提供额外的动量［３３，邋４１，４２Ｊ。逡逑ａ逦ｂ４逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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