金属—介质—金属复合超表面的制备、模式特性及其荧光辐射调控研究

发布时间：2020-04-05 22:13

【摘要】：通过构造金属微纳结构,利用其独特的表面等离激元共振特性增强结构周围的局域态密度,提高荧光分子的辐射效率,在空间上和光谱上实现对荧光辐射的调控,一直是微纳光子学领域关注的问题之一。由纳米尺寸单元结构构成的超薄二维阵列平面——电磁超表面(Metasurface),可以在亚波长尺度下实现对电磁波位相、振幅、偏振的有效操控,继而设计出具有多种功能的集成光学元器件近年来,超表面特性研究受到了广泛的关注。但是,利用超表面的电磁响应调控荧光辐射特性,以实现有源器件的设计,目前才刚刚起步。金属微纳结构超表面因其超薄的特性可有效降低由金属材料本身所造成的内部损耗,同时保有表面等离激元高度局域的特性,在荧光调控方面具有显著优势。本论文在此基础上,考虑将磁响应模式引入荧光辐射调控,提出了支持多种电磁共振模式的金属-介质-金属(MDM)复合超表面,研究了其模式特性、场增强特性、荧光辐射调控特性,为超表面在纳光源、荧光光谱学等方面应用提供了新的角度和视野。主要研究工作如下:1.设计制备了在可见光波段同时拥有多种电磁共振模式的金属-介质-金属(MDM)渔网超表面。通过建立电感(L)-电容(C)等效回路模型,结合FDTD数值计算方法,在理论和实验上研究了结构关键尺寸改变对模式共振位置的影响。并在此基础上设计出了偏振控制的出射光谱可调器件,可有效实现偏振可控的滤色片或偏振敏感的传感器。2.基于以上结构中的局域电模式(LSP mode)和磁模式(MPP mode)能够将光场高效地局域在纳米间隔层内的特点,设计制备了荧光激发和辐射效率双增强的有源MDM渔网超表面。通过精确设计结构尺寸大小,使得两种模式的共振位置分别与荧光分子的吸收和辐射峰相匹配,并利用模场增强区域重叠且偏振依赖的性质,实现了偏振依赖的空间选择性激发和增强荧光发光,有效调控荧光辐射特性。受调制后的荧光辐射表现出具有偏振性以及定向辐射性。该器件的设计为在可见光波段实现波长和偏振可调节的发光器件提供了很有意义的指导。3.根据以上研究,考虑到大片金属膜对荧光辐射的吸收以及对模式的干扰,我们进一步设计制作了荧光辐射效率更高、模式更便于调节、可选择波长范围更广的有源MDM颗粒超表面。基于超表面极化张量计算以及FDTD理论模拟,设计出了双模式共振同质、异质颗粒超表面。并制备了 LSP和MPP模式双共振的MDM颗粒超表面,可实现荧光辐射的双增强。改变结构尺寸,研究了模式特性和荧光辐射特性,发现该结构排除了周期模式的影响后,荧光辐射波长可调控范围明显增大。本文的创新点:1.构造MDM超表面将磁响应模式引入到荧光辐射调控中。建立了一个LC等效电路模型用以描述MDM渔网超表面中MPP模式共振特点。建立模型得到的磁共振波长与实验测得的结果符合很好,平均相对误差小于1.5%。该模型简洁、合理且有效,可从新的角度更深层次地分析和理解纳米尺度下复合渔网超表面中MPP的模式特性。2.系统地分析了 MDM渔网超表面中支持的多种电磁共振模式(MPP、LSP和SPP-BW(周期模式))的模式特性及共振位置的可调性。通过改变结构关键参数给出了模式共振位置随尺寸改变的变化规律,证明MPP比其它两种模式具有更敏感、更易调节的特点。并基于以上研究结果设计了偏振控制的出射光谱可调器件。3.利用MDM渔网和颗粒超表面中支持的LSP和MPP模式能够将光场高效地局域在纳米间隔层内的特点,设计制备了荧光激发和辐射效率双增强的有源MDM渔网和颗粒超表面,在可见光波段实现了偏振依赖的空间选择性激发荧光发光,以及依赖于纵向耦合MPP模式的荧光出射光谱、偏振、角度调控。
【图文】：

离激元共振的影响［１１］，首次正确解释了邋Ｗｏｏｄ异常。１９５６年，Ｐｉｎｅｓ在理论析了电子能量在金属电子气中的衰减特性，将这种金属中产生的集体电子振义为“Ｐｌａｓｍｏｎ”，，与等离子体（Ｐｌａｓｍａ）区别开。１９５７年，Ｒｉｔｃｈｉｅ指出从电量损失谱中可以观测到金属表面等离激元共振［１２］。这种谐振模式被称为“表离激元（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＰｏｌａｒｉｔｏｎｓ，邋ＳＰＰｓ）邋”，用来表不金属（Ｐｌａｓｍｏｎ）和介Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）分别对模式的贡献。１９６０年，Ｓｔｅｍ和Ｆｅｒｒｅｌｌ根据电磁场理论，了通用的金属膜表面等离激元色散方程。ＳＰＰ的色散特性受到了一致认可９８年，Ｅｂｂｅｓｅｎ等研宄指出金属亚波长孔阵在某些特定波长处会出现异常透ＥｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＥＯＴ）邋［１３］，预不着传统光学的衍射效应在长尺度被打破，奠定了光子集成和超衍射光的发展基础［１４，１５］，标志着表面激元光子学这一新兴学科的形成。逡逑１．１介质－金属表面处的表面等离激元逡逑ＳＰＰ是一种产生在介质－金属界面处的表面电磁波。它沿着界面传播，电度在垂直于界面方向呈指数衰减，如图１．１所示。逡逑

Ｐ为一个复数，它的虚部与ＳＰＰ的传播损耗有关。因此，减小介质和金属介电常逡逑数的虚部可以降低波的传播损耗。逡逑图１．２是半无限大空气－金属界面上的ＳＰＰ色散关系曲线。红色曲线表示ＳＰＰ逡逑横向波矢与频率的关系，黑色斜线为光在空气中的色散关系，水平虚线对应的是逡逑表面等离激元谐振频率６）ＳＰ。随着ＳＰＰ横向波矢的增大，光子频率逐渐接近极大逡逑值邋６＞ｓｐ。逡逑，化呔／光锥线逡逑０邋ｆｃ0逦ｋｘ逡逑图１．２半无限大空气－金属界面的ＳＰＰ色散关系逡逑１．１．２表面等离激元的光激发方式逡逑如图１．２所示，对于ＴＭ模式入射的电磁波，ＳＰＰ横向波矢分量大于相邻介逡逑质入射电磁波的波矢。因此，从介质入射的电磁波无法直接激发光滑金属表面的逡逑ＳＰＰ，需要通过设计一些补偿机制来实现ＳＰＰ光激发。逡逑１．全内反射（ＡＴＲ）法逡逑这种激发方式利用光子隧穿效应，在高折射率介质内部发生全内反射，产生逡逑的倏逝波激发ＳＰＰ。利用全内反射激发ＳＰＰ的结构可以分为两种：一种是逡逑Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ邋结构［１６］
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

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本文编号：2615596