基于表面等离激元的激光器与传感器的研究
发布时间：2021-01-15 22:25
近几十年来,表面等离激元光子学作为一门新兴的学科,其在物理、生物、化学、能源、环境等交叉领域中的潜力正在逐步被发掘。随着纳米技术的发展,集成电路微型化的需求愈发高涨,衍射极限也愈发成为传统光子器件往更小尺寸发展的主要限制因素,这成为制约集成电路芯片微型化的一大瓶颈,却也正是基于等离激元的新型光子器件的一大机遇。在这技术更迭的历史转折点,表面等离激元正以其独特的光学特性为我们开启了通往片上光通信的高速列车,为未来迈入量子信息时代提供了可靠的技术支撑。基于表面等离激元的有源和无源光子器件的研究具有划时代的意义。本论文详细调研了本领域的研究现状及发展趋势,重点研究基于表面等离激元的纳米激光器和传感器的应用,并取得了以下成果:（1）设计并从实验上验证了一种新型的近似等离激元激光器的光源输出。在这一光源模型中,我们采用了银纳米棒-间隙层-硒化镉纳米带的MIS复合结构设计,在单个纳米颗粒的尺度下实现三维局域的近似等离激元纳米激光器的辐射输出。其中,银纳米棒作为等离激元谐振腔提供局域的电磁场束缚能力,而硒化镉纳米带作为增益介质用以补偿银纳米棒内部的欧姆损耗。与此同时,硒化镉纳米带光波导本身在泵浦激发...
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１电驱动的等离激元光电二极管与光分束、光路由和定向耦合等光器件集成的亚波长??［１５］
纵波的形式在金属一介质界面上传播的表面等离极化激元（Ｓｕｒｆａｃｅ?Ｐｌａｓｍｏｎ??Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）和束缚在金属结构附近的局域表面等离激兀（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ?Ｓｕｒｆａｃｅ??Ｐｌａｓｍｏｎｓ，ＬＳＰｓ），这三种表现形式的不意图如图２．１所不。当光入射到金属中??时，会引发金属内部的体等离子体振荡，而当金属存在一定的边界时，例如金??属电介质的交界面或金属纳米颗粒几何形状构成的边界等，入射光场将与金属??中的等离子体振荡模式发生耦合，形成新的振荡模式——传播的表面等离子体??振荡或局域表面等离体振荡。??？？４－？－＞？－４－？?—?—?／?／??一＋十一＋十?：」??一令十＿？？令＠??图２．１?（ａ）体等离子体振荡；（ｂ）传导表面等离子体振荡；（ｃ）局域表面等离子体振荡。??金属表面电荷的集体振荡与入射电磁场之间的相互作用使得表面等离激??元具有很多独特的光学特性，例如，它能够将电磁场局域在亚波长的尺度内，??极大地增强局域的电场强度，并且能够实现长程传播及远场激发。这些性质使??得表面等离激元在很多学科领域均有不俗的表现，例如：增强荧光、表面增强??拉曼、表面等离激元共振传感、增强光伏、纳米激光器等。??在接下来的几个小节中，我们将从描述自由电子气介电响应的Ｄｒｕｄｅ模型??出发
２．１．３表面等离檄元的色散关系及其特征长度??ＳＰｓ的频率与波矢的色散关系由（心）描述，它的电磁场同时具有横向与纵??向的分量，如图２．２所示。当ＴＭ偏振的光波入射到图中所示的金属电介质界??面时，会在该界面处激发表面电荷的集体振荡，即ＳＰｓ，它同时具有电磁波和??表面电荷的特征。正如一般的表面波，ＳＰｓ表现为纵波形式，且沿着表面传播，??在ｚ?＝?０处场强最大。由于ＳＰｓ的非福射特性使得能量无法从界面外溢出去，??它的场强在沿着ｚ轴远离界面的方向上呈指数衰减，我们将这种纵向的电场从??本质上称作是倏逝场或近场。??（ａ）＊?（ｂ）广??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ??／．?１?！Ｅｚｉ．??＋?夺?＋??—?＋?＋?＋?—?—?—?＋?＋?＋??Ｅｍ?Ｍｅｔａｌ??图２．２?（ａ）半无限大金属／电介质界面ＳＰｓ的电磁场及表面电荷分布；（ｂ）?ＳＰｓ在ｚ方向??上的电场强度分布。图片引自文献［１６］。??在适当的边界条件下对麦克斯韦方程组求解，会得到ＳＰｓ的频率与波矢的??色散关系：??ＣＯ?Ｉ??ｋｓｖ＝－?－?（２－１１）??Ｐ?ｃ＾ｄ?＋?ｅｍ?＾?Ｊ??式中为介质材料的介电常数，为自由空间波矢。式中￣和Ｑ为实数，??为复数，从而可以得到色散关系的复数表达形式??（２－１２）??
本文编号：2979617
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１电驱动的等离激元光电二极管与光分束、光路由和定向耦合等光器件集成的亚波长??［１５］
纵波的形式在金属一介质界面上传播的表面等离极化激元（Ｓｕｒｆａｃｅ?Ｐｌａｓｍｏｎ??Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）和束缚在金属结构附近的局域表面等离激兀（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ?Ｓｕｒｆａｃｅ??Ｐｌａｓｍｏｎｓ，ＬＳＰｓ），这三种表现形式的不意图如图２．１所不。当光入射到金属中??时，会引发金属内部的体等离子体振荡，而当金属存在一定的边界时，例如金??属电介质的交界面或金属纳米颗粒几何形状构成的边界等，入射光场将与金属??中的等离子体振荡模式发生耦合，形成新的振荡模式——传播的表面等离子体??振荡或局域表面等离体振荡。??？？４－？－＞？－４－？?—?—?／?／??一＋十一＋十?：」??一令十＿？？令＠??图２．１?（ａ）体等离子体振荡；（ｂ）传导表面等离子体振荡；（ｃ）局域表面等离子体振荡。??金属表面电荷的集体振荡与入射电磁场之间的相互作用使得表面等离激??元具有很多独特的光学特性，例如，它能够将电磁场局域在亚波长的尺度内，??极大地增强局域的电场强度，并且能够实现长程传播及远场激发。这些性质使??得表面等离激元在很多学科领域均有不俗的表现，例如：增强荧光、表面增强??拉曼、表面等离激元共振传感、增强光伏、纳米激光器等。??在接下来的几个小节中，我们将从描述自由电子气介电响应的Ｄｒｕｄｅ模型??出发
２．１．３表面等离檄元的色散关系及其特征长度??ＳＰｓ的频率与波矢的色散关系由（心）描述，它的电磁场同时具有横向与纵??向的分量，如图２．２所示。当ＴＭ偏振的光波入射到图中所示的金属电介质界??面时，会在该界面处激发表面电荷的集体振荡，即ＳＰｓ，它同时具有电磁波和??表面电荷的特征。正如一般的表面波，ＳＰｓ表现为纵波形式，且沿着表面传播，??在ｚ?＝?０处场强最大。由于ＳＰｓ的非福射特性使得能量无法从界面外溢出去，??它的场强在沿着ｚ轴远离界面的方向上呈指数衰减，我们将这种纵向的电场从??本质上称作是倏逝场或近场。??（ａ）＊?（ｂ）广??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ??／．?１?！Ｅｚｉ．??＋?夺?＋??—?＋?＋?＋?—?—?—?＋?＋?＋??Ｅｍ?Ｍｅｔａｌ??图２．２?（ａ）半无限大金属／电介质界面ＳＰｓ的电磁场及表面电荷分布；（ｂ）?ＳＰｓ在ｚ方向??上的电场强度分布。图片引自文献［１６］。??在适当的边界条件下对麦克斯韦方程组求解，会得到ＳＰｓ的频率与波矢的??色散关系：??ＣＯ?Ｉ??ｋｓｖ＝－?－?（２－１１）??Ｐ?ｃ＾ｄ?＋?ｅｍ?＾?Ｊ??式中为介质材料的介电常数，为自由空间波矢。式中￣和Ｑ为实数，??为复数，从而可以得到色散关系的复数表达形式??（２－１２）??
本文编号：2979617
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