基于表面等离激元波导的光学力及光镊的研究

发布时间：2020-04-28 22:57

【摘要】：表面等离激元是在金属表面传播的电磁波,能够突破衍射极限,具有巨大的局域场增强效应。双波导结构依托其强烈的耦合特性,结合表面等离激元优越的性质,极大的增强了波导间隙中纳米粒子所受光学力。石墨烯是近年来兴起的一种新型光电材料,在多个领域发挥着重要的作用。基于石墨烯与表面等离激元的新型石墨烯光纤结构,相比于传统光镊模型,在光学力上提高了多个数量级。本文对双波导结构和石墨烯光纤结构进行了多方面研究,对光镊的进一步发展具有重要的意义。第一章说明了课题背景及研究意义,并介绍了表面等离激元的公式推导、激发以及应用、石墨烯的性质、光镊的分类及应用。第二章介绍了石墨烯的相关光学参数,多种介质微粒的光学力计算以及数值仿真软件(COMSOL)的简介和使用方法。第三章介绍了银纳米线的模式和光学力,提出了两种新型表面等离激元波导结构。通过有限元分析软件对波导结构进行了模式仿真,模式面积、传播长度以及光学梯度力计算。这两种新型波导结构均可以在纳米级间隙中形成深亚波长光学能量束缚的效果。得益于波导结构之间强烈的耦合作用以及表面等离激元优越的特性,双银纳米线波导结构的光学梯度力达到了 4000fN/W以上,混合波导结构在保证良好的传播长度下,光学梯度力达到了 1000fN/W以上。通过对参数的调节,还能够形成精度可调的纳米级光镊,应用于不同的场景,实现对纳米级微粒的分情况操作。第四章提出了两类石墨烯等离子体波导结构,一类为石墨烯光纤,另一类为部分覆盖石墨烯光纤。通过有限元分析软件进行相关量的仿真计算,我们发现基于石墨烯与表面等离激元的优越性质,其在局域场的增强效果上要远远优于贵金属,产生的光学梯度力最高达到了107 fN/W。其中部分覆盖石墨烯光纤在光学梯度力的效果上要优于石墨烯光纤模式,而且在材料的使用上要更加节省,但是相对于石墨烯光纤的制作难度较大。以上两类情况下,通过添加基底,还可以实现光学力翻倍的效果。综上可得,这两类结构在光学梯度力的数值上相对于传统光镊提高了多个数量级,大大提高了对微粒捕捉的强度,在高精度捕捉领域具有广阔的应用前景。第五章对整篇文章的工作做出了总结,并对未来光镊技术的发展与应用做出了展望。
【图文】：

表面等离激元是电子在金属－介质界面上的集体光激发［５’６］，也就是说，表面逡逑等离激元是一种表面电磁波，电磁场能量被限制在金属－介质表面。这里以介质－逡逑金属界面的表面等离激元为例进行说明，如图１－１所示。逡逑ｘ逦Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑逦？逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑图１－１介质－金属界面ＳＰＰ传播几何图逡逑１逡逑

ＴＭ极化模式。逡逑１．２．２表面等离激元的激发逡逑在图１－２中表示出了金属－空气界面的色散关系（浅色）和金属－二氧化硅界逡逑面的色散关系（深色）。从图中可以发现，对于这两种ＳＰＰｓ的情况，波矢与入射逡逑光的波矢均不匹配，因此，这两种界面下通常不能直接被入射光激发形成ＳＰＰｓ，逡逑要想激发出ＳＰＰｓ需要采用特定的方法。常用的方法有平面波波矢匹配法［７’８］、近逡逑场散射激发法＆°］、局域表面等离激元激发等等。逡逑＾逦￣———逡逑Ｉ。＇８逦、卞：／邋逦逡逑＾０．６逦——．．—逡逑＜Ｕ逦／逦逦邋，Ｔ逡逑ｇ－逦／逦一＂逦＾ｓｐ．ｓｉｌｉｃａ－逡逑ｑｊ邋０．４Ｌ逦．／邋／／＾逦：逡逑丨逡逑０邋１逡逑Ｗａｖｅ邋ｖｅｃｔｏｒ邋（３ｃ／0）ｐ逡逑图１－２邋ＳＰＰ在金属－空气界面（浅色）和金属－二氧化硅界面（深色）色散关系逡逑由于表面等离子体在同一频率下要大于光波波矢，所以无法直接激发ＳＰＰ，逡逑我们可以使用如图１－３的耦合装置进行耦合激发，，这种激发方法叫做棱镜耦合法。逡逑在棱镜的上表面覆盖一层银薄膜，光线从左侧入射到棱镜内，在打到棱镜边界时逡逑发生折射，然后打到上表面形成内反射，通过调节角度０可以改变色散曲线中的逡逑斜率
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441

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本文编号：2643950