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亚波长等离激元器件的设计及测试方法研究

发布时间:2020-07-12 03:58
【摘要】:随信息技术的飞速发展,光子器件在信息传输、处理及存储方面的应用需求越发重要。然而,由于光学衍射极限的限制,传统的光子器件尺寸一般只能在微米量级,无法实现与纳米尺度的电子器件匹配集成,因此能够突破光学衍射极限的亚波长光子器件成为当前光学研究的热点。当光子器件的尺寸缩至亚波长量级时,会表现出众多新奇的现象和特性,在光信号的传输机制、场空间局域和增强特性以及光作用力等方面与传统光子器件区别显著,具有极大的研究探索价值。表面等离激元是目前实现亚波长尺度光子器件的主要研究方向之一,它可突破光学衍射极限,实现亚波长尺度下对光的传输与调控。基于表面等离激元新颖的光学特性,许多新型亚波长功能性光子器件被提出,这些器件在全光集成芯片、生物化学传感、太阳能光伏增效和表面增强光谱等众多领域表现出极大的应用潜力。因此,开展亚波长等离激元器件的设计与测试研究具有重要的科学意义和应用价值。本论文的研究目的在于探索研究亚波长尺度下的表面等离激元光子器件的结构设计和光学特性研究,分为基于可传输的表面等离极化激元波导的光子器件和基于局域表面等离激元共振的光子器件两部分。一方面探索基于表面等离极化激元效应的光波导的传输特性,在此基础上,研究基于亚波长等离激元波导的谐振器件的光学传输特性和结构优化;另一方面探索基于局域表面等离激元共振的金属微纳结构和器件的制备技术、光谱特性、散射增强特性和纳米尺度的观测方法。具体研究工作介绍如下:(1)设计并研制了基于聚合物介质条载结构的表面等离激元波导和微环谐振腔器件。首先通过建立数值仿真模型,研究了这种亚波长等离激元波导的模式特性。进而探索了该种波导结构的实验制备工艺技术和其光学特性的测试方法,完成了波导的制备与测试分析。在实验上重点研究了波导在红外波段的光传输特性、偏振特性以及传输损耗特性。在此基础上设计了基于该波导结构的微环谐振腔,结合理论计算分析了其谐振特性,得到了该等离激元微环谐振腔的优化结构。该波导微环谐振腔具有单偏振特性和高Q值,可解决目前光波导谐振腔无法实现自身单一偏振态的瓶颈问题,在高精度传感领域等领域具有巨大的应用潜力。(2)基于局域表面等离激元共振特性,设计了一种非对称结构的金纳米环。结合三维有限元算法,研究了非对称结构的金纳米环新颖的光学特性、LSPR特性和Fano共振特性。借助等离激元杂化模型等方法,对研究结果给出了有效物理机制解释,研究结果表明,金纳米环结构对称性破缺显著影响Fano共振,通过改变金纳米环对称性破缺程度,可实现Fano共振的高度可调谐性。该非对称金纳米环结构具有灵活的LSPR共振模式的可调谐性和局域电磁场增强特性,在表面增强光谱、生物传感等领域具有潜在的应用价值。(3)基于暗场显微镜,设计了一套可用于观测纳米尺度颗粒的成像测试系统。该系统可实时观测尺寸为20 nm以上的金属纳米颗粒的行为并进行成像。在此基础上,研究了纳米单颗粒的光谱测试方法。实验研究了金纳米柱阵列的制备方法,并分析了其LSPR特性。发现金纳米柱阵列展现出良好的反射带阻滤波特性,同时也验证该暗场成像系统的可行性。上述研究为金属纳米颗粒的微观表征与测试提供了可行的方法,为后续开展各种亚波长光学结构和器件的纳米尺度观测和光谱研究工作提供了有效的技术手段和实验平台。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN15
【图文】:

场分布,表面等离极化激元


东南大学硕士学位论文等离极化激元等离极化激元是外部电磁场诱导金属中的自由电子发生集体共振,从介质界面传输的电磁振荡波,如图 1-1 所示[1]。在金属-介质界面电子着外界电磁场的振动而向前传播,其电场强度沿垂直界面方向呈指数逝场分布,所以可突破传统光学衍射极限的限制。由于金属材料本身表面等离极化激元只能传输一定的距离,不能无限远的传输。表面等量大于自由传播的电磁波的波矢,因此不能在空间中自由传播,所以构来激发。

示意图,表面等离激元,银纳米线,波导


极化激元[1]。(a)金属-介质材料界面处的 SPs 示意图,(b)垂直场强度分布。着光子器件及相互关联光路的特征尺寸向亚波长和纳米成为最有希望将光信息局域在亚波长尺度上传输、调控的片、光传感、光探测等众多领域展现出了独特的优势。亚是表面等离极化激元波导,许多新颖的波导结构被提出,发、传输和调控等方面的研究逐渐深入。(a) (b)

银纳米线,远场,波导,奥尔堡大学


图 1.3 银纳米线波导远场激励图[3]。属(Metal-Insulator-Metal,MIM)结构的。2006 年丹麦奥尔堡大学 Bozhevolnyi 等等离极化激元波导,如图 1.4 所示[8]。这 V 形沟槽中进行传输,光强密度极高。但传输损耗较大传输距离短,一般只能传寸之间存在强烈的制约关系。

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