布洛赫表面波光场调控及其应用研究

发布时间：2020-06-18 11:53

【摘要】：布洛赫表面波(Bloch surface wave,BSW)是束缚在多层介质膜与半无限大均匀介质界面的表面电磁模式,可被看作介质版低损耗表面等离激元(Surface plasmonpolaritions,SPPs)。与SPPs相似,可以通过改变传播界面的表面形貌和材料属性,设计构造不同的结构对BSW光场进行有效调控,从而可在纳米尺度下研究光子的产生、传输、操纵、变换及其与物质相互作用规律,展现新颖的光学现象,实现基于BSW的光力操作,光场多维调控,超分辨成像,大视角全息以及高度集成的片上光谱检测、光子路由等新型微纳光学功能器件的研发。本论文从BSW与SPPs的对比出发,分别利用理论和实验手段分析并表征了多层介质膜与表面微纳复合结构,实现了 BSW的激发与整形,并得到了基于BSW的面上光波导、反射器、分束器、偏振转换器、光开关等光学器件。对于这些问题的研究不仅具有极其重要的理论价值,同时也推动光学在信息、化学、生命和材料领域的交叉研究应用。本论文的主要研究工作如下:1.利用光子带隙理论深入分析了布洛赫表面光场产生的物理机理及其定义,通过精心设计多层介质薄膜结构,将其与聚合物纳米纤维复合,提出并实现了一种新型的一维布洛赫表面波模式,并在理论上研究对比了介质负载布洛赫表面波与一维布洛赫表面波模式,验证了一维BSW模式局域性及传感性能更佳。实验中用等离子体化学增强气相沉积法制备多层介质膜,用静电纺丝方法制备了聚合物纳米纤维,利用自行搭建的泄漏辐射显微系统实现了聚合物纳米纤维中一维BSW激光和荧光信号的传输,进一步实现了同一基底不同波长情况下介质负载布洛赫表面波到一维布洛赫表面波的转变,基于此对聚合物纳米纤维进行化学修饰实现了不同波长布洛赫表面波荧光信号的同时激发。2.研究分析了多层介质薄膜与交叉耦合光栅复合结构将自由空间3D高斯光束耦合成二维布洛赫表面波,提出并实现了液相环境中无衍射布洛赫表面波。利用后焦面成像技术验证了无衍射布洛赫表面波是由交叉光栅生成的两束平面二维BSWs干涉得到。在无衍射BSW传输路径上放置多个障碍物、或尺寸较大的微米纤维结构,验证了无衍射布洛赫表面波自修复效应。调整多层介质膜的参数,用同样的方法实现了空气环境中无衍射布洛赫表面波的传输及其自修复效应。3.实验研究了多层介质薄膜与单根银纳米线复合结构,利用易于合成与操控的银纳米线代替聚焦离子束或电子束曝光等手段加工的特定微纳结构作为远-近场耦合器,实现了二维BSW的激发、传播,同时利用弯曲银纳米线结构实现二维布洛赫表面波的聚焦。进一步将空间光调制器整形获得的三维结构光场耦合转换为二维布洛赫表面结构光场,实现二维布洛赫表面波的传播方向、宽度、传输长度等的动态调控。4.设计了同时支持横电模和横磁模两种偏振的2D-BSW多层介质薄膜结构。研究了多层介质薄膜上一维狭缝结构宽度,深度对入射在其上的2D-BSW的反射、透射及模式转换系数的影响。并利用严格耦合波分析法及频域有限差分法研究了 BSW经过狭缝后其反射、透射及模式转换系数与入射角度之间的关系。在理论研究结果的基础上,在实验中合理刻蚀多层介质膜上狭缝结构得到了基于2D-BSW的发射器、反射器、偏振转换器及光学单刀双掷开关等二维集成光学中基本组成元件。5.制备了一种金属-介质复合多层膜结构即等离子体耦合波导结构。与多层介质膜结构相似,可支持两种偏振态模式。利用转移矩阵法,合理设计结构参数,并对模式及其场分布进行调控。在实验中实现两种模式同时激发,并利用两种模式的场分别激发相应位置荧光。同时利用电动液晶片与偏振器,实现两种偏振模式选择性激发,从而控制两种模式场选择性激发荧光信号,实现样品表面和体相中荧光选择性成像。本论文的创新点主要包括:1.提出一维布洛赫表面波模式这一新物理概念,利用多层介质膜与聚合物纳米纤维复合,解决了极细聚合物纳米纤维在普通玻璃基底上无法传光的技术难题。对聚合物纳米纤维进行化学修饰,实现了不同波长荧光信号的同时激发。2.提出并实现了多层介质膜与交叉耦合光栅结构下液相或空气环境中无衍射BSW,利用后焦面技术证明了无衍射BSW生成原理,进一步验证了无衍射BSW经过多个障碍物后仍能自修复。3.提出并实现了银纳米线代替光栅结构实现液相环境中布洛赫表面波的激发、传输及聚焦效果。利用空间光调制器对激发光场位相信息调控,首次实现了动态、可重构的二维布洛赫表面波。4.提出并实现了用一维狭缝结构操控二维布洛赫表面波,研究了二维布洛赫表面波的全反射、分束及模式转换等现象。实验中首次实现了横电模和横磁模布洛赫表面波互相转换,观测到反射角与入射角不等的异常反射现象。
【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】：O441
【图文】：

电磁场分布,半无限大介质,金属界面,电磁场分布

图１．１半无限大介质－金属界面处的ｓｐｐ电磁场分布情况逡逑由介质－金属界面上的ＳＰＰ色散关系（公式丨．丨），可画出ＳＰＰｓ色散关系曲线逡逑（图１．２），图中可观察出ＳＰＰｓ色散曲线与自由空间中光线无交点。以银膜与空逡逑气界面为例，入射光为６３３ｎｍ波长的红光时，可算得此时ＳＰＰｓ的波矢为逡逑／ｔｗｓｌ．０３ｔ。。ＳＰＰｓ波矢大于自由空间中光波矢，由于ＳＰＰｓ和自由空间中光波矢逡逑不匹配，因此自由空间光场无法直接激发金属表面的ＳＰＰｓ，必须满足动量匹配逡逑才能实现ＳＰＰｓ的激发。可利用光子趋肤效应的衰减全内反射（ＡＴＲ）法［４］，光栅逡逑衍射［１２］，表面粗糙和尖端散射［１３，邋］４］等，是最常用的波矢匹配的方法。逡逑３逡逑

功能图,纳米阵列,分束,功能

ｓｐＣＨ逡逑图１．２半无限大介质－金属界面的ＳＰＰ色散关系逡逑１．１．２金属微纳结构调控表面等离激元概述逡逑由１．１．１节所述，ＳＰＰｓ是局域在金属与介质界面的电磁场，金属表面结构逡逑及形貌影响ＳＰＰｓ特性，因此可通过设计和制备不同的表面微纳结构实现ＳＰＰｓ场逡逑分布的调控，从而制备出各种基于ＳＰＰｓ光子器件。近年来，微纳结构制作工艺逡逑日益精进，尤其是电子束刻蚀（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｂｅａｍ邋ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＢＬ）［１５－１９］、聚焦离子逡逑束刻蚀（Ｆｏｃｕｓｅｄ邋ｉｒｏｎ邋ｂｅａｍ，邋ＦＩＢ）［２０］及紫外光刻等微纳加工方法可精确制备各类逡逑微纳结构。逡逑研究人员们基于各类微纳加工方法提出和实现了一系列基于ＳＰＰｓ光学器逡逑件。其中最简单的一类结构形式即为金属薄膜表面的纳米孔洞阵列结构，电磁波逡逑入射到纳米孔洞后发生散射或衍射，从而在金属表面产生倏逝波，并由隧穿效应逡逑穿过纳米孔洞

【相似文献】