基于表面等离激元增强的灵敏探测、超快相干调控和周期条纹的形成
发布时间：2020-12-16 14:46
表面等离激元共振是材料表面自由电子在外部入射光场的作用下,在材料表面形成的一种表面束缚电磁波。因其具有很强的局域场增强特征,使其在生物传感、单分子探测、纳米光刻等方面有着广泛的应用前景。表面等离激元主要分为局域表面等离激元和传播表面等离激元两类。在局域表面等离激元的特性与应用方面,本文分别研究了等离激元尺子、表面增强拉曼光谱的超快选择激发。在传播表面等离激元方面,研究了飞秒激光在半导体表面激发表面等离激元,导致光场强度周期分布和能量的周期沉积,形成了亚波长周期条纹。本文取得的主要研究成果如下:（1）设计了一个基于三聚体纳米结构的Fano共振等离激元尺子,它由一个同心方形环盘和一个外部的纳米立方组成。通过调节同心环盘和外立方体的间隙,或者固定外立方体中心进行定轴转动,研究了纳米结构不同等离激元模式的耦合、Fano共振强度、线宽和对比度。结果表明,与普通等离激元共振相比,这种Fano共振等离激元尺子的探测灵敏度提高了20-80倍,能实现外部纳米立方平移1?和转动1o的高精度测量。（2）拉曼光谱提供分子的振动、转动等信息,被称为“分子指纹”,广泛应用于化学、物理学、生物学和医学等领域。表面增...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.2两种类型的表面等离激元:(a)金属纳米球支持的局域表面等离激元(LSPs);(b)金属纳米线支持的传播表面等离激元(PSPs)[13]。
在传播表面等离激元中,金属中的自由电子与外加激发电磁场相互作用,产生沿表面传播的电子疏密波(图1.2(b)),这些实际上是因为光与导体中自由电子相互作用而被禁锢在金属表面传播的波,是金属中的自由电子通过与入射光波共振而发生的集体响应,并形成了其独特的性质。图1.3(a)为在介电常数分别为的介质夹层中间的金属薄膜上产生的传播表面等离激元的示意图,传播表面等离激元的电场强度随着离金属表面的距离增加而指数衰减。图1.3(b)中给出的是金属薄膜与介质1的界面以及金属薄膜与介质s的界面上的等离激元色散曲线,图中直线表示光在介质1和介质s中色散曲线。对于单一的金属、介质界面,若εM>ε1(其中εM代表金属的介电常数,ε1为电介质为空气时的介电常数),光直接从空气中入射到金属,此时将无法激发传播表面等离激元。但另一方面,因为光在介质s中的色散曲线与金属/空气界面的等离激元色散曲线有交点,那么可以通过从玻璃中入射来匹配金属/介质1界面的等离激元波矢,从而激发金属/介质1中的等离激元。图1.3(b)中的插图是利用“Kretchman”模型激发的传播表面等离激元的示意图[14]。这里需要强调的是激发传播表面等离激元的入射光通常是P型偏振光,S型偏振光不能有效激发传播表面等离激元。1.1.2 表面等离激元的研究进展及应用
金属纳米结构等离激元增强特征在二次谐波及高次谐波的产生、荧光信号增强、拉曼信号激发等方面具有广泛的应用前景[34-36]。同时为了克服金属纳米材料本身的光吸收,从而提高如传播距离等光学器件的性能,学术界提出在等离激元光学器件中添加增益介质的方法,利用增益介质可以实现对光场放大的特性来弥补金属结构材料本身的损耗[37,38]。Oulton小组和Noginov小组分别在金属薄膜体系和金球纳米颗粒中实现了表面等离激元受激辐射放大[39,40]。这一现象迅速引起了广泛的关注,随后Nezhad小组和李志远小组均在金属纳米结构中通过增加增益介质实现了表面等离激元的共振增强效应[41,42],为实现监测单分子的拉曼信号提供了一种新的途径。李志远等人在研究中还发现纳米颗粒的形状与等离激元共振放大的增益阈值紧密相关,并实验证实了金纳米棒的阈值远低于金纳米球的阈值。通常,由于环境的物理和化学性质变化对等离激元共振波长的影响很大,例如可能万分之一的背景媒质的折射率改变,会引起几个纳米的共振波长的移动。基于此特征,高灵敏度的生物和化学传感器已经被开发出来,并在科研和工业上进行了广泛的应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Periodic surface structures on Ni–Fe film induced by a single femtosecond laser pulse with diffraction rings[J]. 周侃,贾鑫,郗慧霞,刘聚坤,冯东海,张诗按,孙真荣,贾天卿. Chinese Optics Letters. 2017(02)
本文编号：2920331
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.2两种类型的表面等离激元:(a)金属纳米球支持的局域表面等离激元(LSPs);(b)金属纳米线支持的传播表面等离激元(PSPs)[13]。
在传播表面等离激元中,金属中的自由电子与外加激发电磁场相互作用,产生沿表面传播的电子疏密波(图1.2(b)),这些实际上是因为光与导体中自由电子相互作用而被禁锢在金属表面传播的波,是金属中的自由电子通过与入射光波共振而发生的集体响应,并形成了其独特的性质。图1.3(a)为在介电常数分别为的介质夹层中间的金属薄膜上产生的传播表面等离激元的示意图,传播表面等离激元的电场强度随着离金属表面的距离增加而指数衰减。图1.3(b)中给出的是金属薄膜与介质1的界面以及金属薄膜与介质s的界面上的等离激元色散曲线,图中直线表示光在介质1和介质s中色散曲线。对于单一的金属、介质界面,若εM>ε1(其中εM代表金属的介电常数,ε1为电介质为空气时的介电常数),光直接从空气中入射到金属,此时将无法激发传播表面等离激元。但另一方面,因为光在介质s中的色散曲线与金属/空气界面的等离激元色散曲线有交点,那么可以通过从玻璃中入射来匹配金属/介质1界面的等离激元波矢,从而激发金属/介质1中的等离激元。图1.3(b)中的插图是利用“Kretchman”模型激发的传播表面等离激元的示意图[14]。这里需要强调的是激发传播表面等离激元的入射光通常是P型偏振光,S型偏振光不能有效激发传播表面等离激元。1.1.2 表面等离激元的研究进展及应用
金属纳米结构等离激元增强特征在二次谐波及高次谐波的产生、荧光信号增强、拉曼信号激发等方面具有广泛的应用前景[34-36]。同时为了克服金属纳米材料本身的光吸收,从而提高如传播距离等光学器件的性能,学术界提出在等离激元光学器件中添加增益介质的方法,利用增益介质可以实现对光场放大的特性来弥补金属结构材料本身的损耗[37,38]。Oulton小组和Noginov小组分别在金属薄膜体系和金球纳米颗粒中实现了表面等离激元受激辐射放大[39,40]。这一现象迅速引起了广泛的关注,随后Nezhad小组和李志远小组均在金属纳米结构中通过增加增益介质实现了表面等离激元的共振增强效应[41,42],为实现监测单分子的拉曼信号提供了一种新的途径。李志远等人在研究中还发现纳米颗粒的形状与等离激元共振放大的增益阈值紧密相关,并实验证实了金纳米棒的阈值远低于金纳米球的阈值。通常,由于环境的物理和化学性质变化对等离激元共振波长的影响很大,例如可能万分之一的背景媒质的折射率改变,会引起几个纳米的共振波长的移动。基于此特征,高灵敏度的生物和化学传感器已经被开发出来,并在科研和工业上进行了广泛的应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Periodic surface structures on Ni–Fe film induced by a single femtosecond laser pulse with diffraction rings[J]. 周侃,贾鑫,郗慧霞,刘聚坤,冯东海,张诗按,孙真荣,贾天卿. Chinese Optics Letters. 2017(02)
本文编号：2920331
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