角度不敏感等离子激元颜色滤波器理论及实验研究

发布时间：2017-09-01 01:27

  本文关键词：角度不敏感等离子激元颜色滤波器理论及实验研究

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【摘要】：表面等离子激元由于其对纳米尺度光场突出的调控能力,在现代科学的各个领域发挥着重要作用。在图像传感器、显示器、数码摄像、投影等领域,基于周期性金属纳米结构的等离子激元颜色滤波器,由于其具有比传统基于染料的颜色滤波器更加优异的性能(小型化、制备工艺简单、耐高温及紫外辐射等)而成为研究的热点。然而为实现商业化应用,诸如透射率、颜色纯度、偏振相关性、角度敏感性、性价比以及大面积制备工艺等问题还需要更深入的研究。本论文在分析理解等离子激元基本原理的基础上,借助时域有限差分仿真方法和纳米实验加工工艺,设计研制了金属纳米结构,测试分析了基于所设计结构的等离子激元颜色滤波器的性能,重点解决了偏振相关性、角度敏感性等问题,为等离子激元颜色滤波器的商业化应用提供了技术支持。首先,我们系统地研究了玻璃基底上一维银纳米光栅占空比对其光谱特性的影响。利用时域有限元差分仿真软件,我们仿真了不同光栅周期和厚度条件下占空比对其透射谱的影响,发现在不恶化透射谱的颜色效果的前提下,占空比能在较窄的波长范围内对透射谱的共振波长进行调节。这是因为占空比太大或太小都将导致颜色纯度的降低,恶化透射谱的颜色滤波效果。对实验所制备样品的光学特性测试验证了仿真的正确性。另外,对局域等离子共振和传播性等离子共振的理论研究表明局域等离子共振在改变占空比实现颜色调控的过程中起着主要作用,随着占空比的增大,由于光栅间距离减小,传播性等离子共振的介入使得透射谱发生恶化,不利于结构的颜色滤波性能。该工作为等离子激元颜色滤波器的占空比设计提供了理论指导。其次,考虑到基于周期性金属纳米结构的等离子激元颜色滤波器由于其通过衍射作用实现动量匹配而对角度敏感,我们提出了一种基于玻璃基底上二维银纳米圆柱随机点阵结构的角度不敏感等离子颜色滤波器。通过结构周期性的消除,所提出的等离子激元颜色滤波器通过局域等离子共振作用实现了偏振不相关以及角度不敏感(入射角从0度到60度)特性。通过结构参数的优化设计,我们保证了圆柱间的局域等离子共振的去耦合作用,从而实现了颜色滤波器的可重复性和可预测性,并据此在实验上制备了空间上随机且均匀排列的圆柱结构。通过改变圆柱的直径,我们实现了覆盖可见光范围内的颜色调控,显示了该结构在数字成像和图像传感等领域具有的应用潜能。最后,对本论文的研究内容和取得的成果进行了总结,分析了该研究存在的提升空间并给出了未来可能的研究方向。
【关键词】：表面等离子激元 等离子激元颜色滤波器 金属纳米结构 局域等离子共振 传播性等离子共振 角度不敏感
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 表面等离子激元的研究历史及现状11-17
• 1.3 等离子颜色滤波器的研究历史及现状17-18
• 1.4 本论文的研究目的和意义18-19
• 1.5 本论文的主要研究内容19-21
• 2 表面等离子激元原理21-41
• 2.1 表面等离子激元的基本特性21-26
• 2.1.1 色散关系21-25
• 2.1.2 空间场分布特性25-26
• 2.1.3 空间场传播长度26
• 2.2 表面等离子激元的激发方式26-30
• 2.3 表面等离子激元的内部损耗及辐射损耗30-31
• 2.4 表面等离子激元的场增强特性31-32
• 2.5 金属表面覆盖介质层的色散关系32-33
• 2.6 金属薄膜的表面等离子激元33-35
• 2.7 金属表面形貌对表面等离子激元的影响35-38
• 2.7.1 基本特性35-36
• 2.7.2 对传播长度的影响36-37
• 2.7.3 对局域表面等离子激元的影响37-38
• 2.8 局域表面等离子激元及其场增强特性38-41
• 2.8.1 金属球的局域表面等离子激元38-39
• 2.8.2 金属椭球的局域表面等离子激元39-41
• 3 一维银纳米光栅占空比对其光谱特性的调控作用41-51
• 3.1 模型简述41-42
• 3.2 FDTD仿真42-47
• 3.3 实验结果47-49
• 3.3.1 样品制备及表征方法47
• 3.3.2 SEM测试结果47-48
• 3.3.3 光学显微测试结果48-49
• 3.4 结果讨论及分析49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 4 二维银纳米圆柱随机点阵结构实现角度不敏感颜色滤波51-65
• 4.1 模型简述51-53
• 4.2 结构参数设计53-56
• 4.3 样品制备与表征56-59
• 4.3.1 Lift-off制备工艺56-57
• 4.3.2 样品表征57-59
• 4.4 全光谱颜色调控59-61
• 4.5 偏振无关性研究61-62
• 4.6 角度敏感性研究62-63
• 4.7 理论分析与讨论63-64
• 4.8 本章小结64-65
• 5 总结与展望65-67
• 5.1 工作总结65-66
• 5.2 工作展望66-67
• 参考文献67-77
• 硕士期间发表的论文与专利77-79
• 个人简介79

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本文编号：769122