基于表面等离子体的倏逝波操控方法研究

发布时间：2018-05-07 03:25

本文选题：表面等离子体 + 倏逝波　；参考：《西南交通大学》2014年博士论文

【摘要】：随着微细加工与集成光电子技术等学科的发展与完善,表面等离子体光学引起了研究人员的极大兴趣。表面等离子体由于具有波长短和倏逝波耦合放大等性质,可以用于传输和操控原局域在物体表面的高频倏逝波,因而在超分辩成像、高密度存储和光伏太阳能等各个领域拥有重要的研究及广阔应用前景。本文基于表面等离子体亚波长结构,系统研究了倏逝波操控的物理机理、数理模型和光电性能等,并开展了元件制备和实验验证,主要包括以下几个方面：首先研究了亚波长狭缝和光栅结构的超衍射聚焦原理。狭缝结构的聚焦性能主要由表面等离子体波在狭缝波导内的等效传播常数决定,而光栅结构的聚焦性能由其出射面的电磁场分布以及向自由空间耦合条件共同决定。在此基础上设计了一种金属-介质-金属波导结构的光栅聚焦结构,引入多层膜中共振腔效应提高聚焦性能。优化得到的聚焦焦点能量相对于单层光栅聚焦结构提高了21倍,并进一步分析多层膜波导中引入的额外传输损耗的对最终聚焦性能的影响。然后基于超棱镜(S uperlen s)结构研究了表面等离子体对倏逝波的耦合传输能力。从倏逝波角度分析衍射极限的物理含义,由于携带物体微纳表面信息的高频倏逝波被局域在物体表面,即使在无像差和无限大光阑的完美成像系统中也无法实现超衍射成像。表面等离子体由于其短波长色散特性,可以耦合放大表面倏逝波突破衍射极限。在此基础上进一步研究金属-介质交替的多层膜结构(Alternately Stacked Metal-Dielectric Layers, ASMDLs),利用等效介质理论(Effective Material Theory, EMT)研究多层膜结构的等效材料参数,设计参数实现双曲的色散关系,满足倏逝波在多层膜结构中的传输条件。然后利用严格耦合波理论(Rigors Coupled Waves Analysis, RCWA)计算多层膜结构的光学传递函数,研究其倏逝波滤波特性,并在实验上设计莫尔条纹进行验证。在8对Ag(20nm)-SiO2(30nm)多层膜结构两侧分别设计400nm激发光栅和200nm检测光栅,激发光栅产生高级次衍射波经过多层膜滤波后与检测光栅差频,得到实验中易于观测的长周期莫尔条纹,实验测得莫尔条纹周期为59.76μm,验证了多层膜的倏逝波滤波性能。然后通过改变不同的入射角度,根据莫尔条纹的周期以及对比度的变化进一步研究了多层膜倏逝波滤波的带通和滤波窗口不均匀等特性。接下来研究了纳米膜层的表面粗糙度对倏逝波超衍射成像结构的影响。首先介绍常见的粗糙度理论分析方法,并对比理论产生粗糙度与实验测量粗糙度的异同,发现实验测量粗糙度在横向上自相关长度并不为零,具有一定的相关性。将实验测量所得到的粗糙度引入金属-光刻胶-反射层(GPG)超衍射成像结构,发现虽然表面粗糙度可以增加高频分量的透过率,但其引起杂散的随机光场分布使得整体成像性能变差。进一步研究发现引入适当的损耗可以平滑超棱镜结构光学传递函数中的共振峰,并在保证原有图形质量的基础上抑制粗糙度带来的负面影响。对GPG成像结构中不同界面的粗糙度和多层膜结构中的粗糙度进一步分析表明,在成像银层与光刻胶层界面的粗糙度对成像性能影响最大,多层膜结构由于膜层数量的增加更容易受到粗糙度的影响。在这两种情况下,同样可以通过引入额外的损耗来抑制粗糙度的影响,提高成像质量。不同界面的表面粗糙度对成像效果影响不尽相同,进一步研究在加工工艺中不同膜层的表面粗糙度分布情况,并分析后续加工工艺对原有膜层粗糙度的影响。首先利用电子束蒸镀和光刻胶旋涂工艺加工了GPG超衍射成像结构,记录不同的加工工艺对膜层表面粗糙度的影响。研究发现光刻胶有机层具有平滑表面粗糙度的功能,可以降低在其上加工膜层的表面粗糙度,另外随着加工金属膜层厚度的增加,采用电子束蒸镀工艺制作银纳米膜的表面粗糙度也随着增加。然后设计模板剥离实验研究后续加工工艺对原有膜层的影响。利用紫外固化模板翻转工艺将样品从硅基片上剥离并逐层分析,研究表明硅基底上蒸镀银纳米膜以及银膜层上旋涂光刻胶均对原界面没有影响,但在光刻胶层之上蒸镀银膜会影响原有的光刻胶形貌,增加表面粗糙度。上述研究表明,基于金属表面等离子体可以有效操控局域在物体表面的倏逝波,实现在远场的超衍射聚焦、倏逝波的传输和滤波等,能够用于不同的研究领域,包括生物光子学、高密度光学存储和高效光电转换等,为高性能纳米光学器件、超分辩成像等实际应用提供了参考。
[Abstract]:In this paper , we have studied the physical mechanism , mathematical model and photoelectric properties of the multi - layer film structure by using equivalent medium theory ( EMT ) . The effects of different surface roughness on the surface roughness of the films are studied by means of electron beam evaporation and photoresist spin coating .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN911.7;O436.1

【参考文献】