银纳米颗粒与薄膜耦合的纳米光学天线的研究
发布时间：2020-12-21 22:01
利用纳米金属颗粒对入射光的电磁响应形成的局域场增强,可以调控荧光分子或量子点源的荧光辐射,这是纳米光子学研究的热点之一。金属纳米颗粒对激励场进行高效地耦合与高度地局域化,使颗粒表面自由电子集体振荡形成局域表面等离子体(LSP)。本文设计了菱柱形和椭圆盘结构的纳米光学天线,在入射光照射下产生的LSP共振来实现纳米颗粒表面的电场增强。同时该光学天线能改变结构附近的荧光分子或量子点的电磁局域态密度,从而增强其辐射特性。纳米光学天线在表面等离子体共振(SPR)成像、表面等离子体波导、生物传感器、光谱增强等方面有着重要的应用前景。本论文首先概要地介绍了纳米光学天线的发展进程,然后系统地介绍表面等离子体、局域表面等离子体理论以及二能级原子系统的荧光辐射机理和其他有关天线辐射理论。然后在此基础上设计出具有非常强的场增强纳米光学天线,最后分析其不同偶极子共振模式下金属颗粒表面的电荷分布。本文的主要工作如下:1.基于金属纳米颗粒的LSP,表面电荷容易聚集在颗粒尖端形成热点效应,从而产生较强的近场增强。首次设计了具有菱柱形状金属纳米颗粒的光学天线,经FDTD solutions仿真软件进行模拟仿真分析,得...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）罗马莱式杯，外侧照射发射光下呈绿色，内侧照射透射光下呈现红色；（b）纳米材料表面光场分布；（c）近场光学显微镜下的光子晶体结构；（d）扫描隧
电子科技大学硕士学位论文4图1-2（a）金属平面和介质交界处激发的表面等离子体激元示意图；（b）FDTDsolutions仿真分析下的SPP波；（c）金属纳米球产生局域表面等离子体原理图；（d）各种形状纳米颗粒的共振频率谱[13,14,15]。1.3表面等离子体激元的应用表面等离子体的应用，主要涉及到表面等离子体波导，光透过金属薄膜或纳米孔产生的超透射现象，表面等离子体在近场形成的场增强以及表面等离子体在生物传感器方面的应用[9]。1.3.1表面等离子体波导波导的约束与能量损失需要在特定的波导尺寸和几何形状下完成能量的交换。比如说金属薄膜间隙处于均匀介质环境下，类似于MIM（Metal-Insulator-Metal）结构，可以作为表面等离子体波的波导，该结构的波导可以让近红外频率的表面等离子体波传输距离达到几个厘米。众所周知，在上节我们介绍的在金属平面于介质交界处激发的表面等离子体波仅仅能传输几百微米，MIM结构波导将会是让表面等离子体波作为未来集成光波导通信的重要器件！然而在表面等离子体波矢的垂直方向上该结构对光波的束缚力不足。除了MIM波导结构外，金属纳米线或是纳米颗粒也可以作为表面等离子体的波导，因为这些结构在衍射极限的条件下可以对横电磁场模式进行较强的约束。这些纳米线或纳米颗粒会产生局域表面等离子体，电子的集体振荡会吸收表面等离子体波过多的能量从而让其传播距离大大缩减。(a)(b)(c)(d)
第一章绪论5如图1-3，表面等离子体波在波导中传播的近场光学成像图，用棱镜耦合的方式将波长为1550nm的入射光耦合到波导中激发表面等离子体波。图1-3（a）波导结构在近场光学显微镜下的成像；（b）波导内的等离子体波[16]。除了上述波导结构，各种形状的波导间隙和凹槽被制造用来传输表面等离子体波，以及设计成的环形波导可以作为环形谐振器或耦合器，如图1-4。图1-4（a）是近场光学显微镜下波导实物图；（b）是环形谐振器实物[17]。另外一种用金属纳米颗粒将入射光局域在衍射极限下从而起到波导的作用。由于多个纳米颗粒排成一排，他们之间可以通过偶极矩相互作用来传导等离子体波。其实这也是一种纳米光学天线，这在与后面将要介绍的八木天线原理相类似。其实早在1998年Quinten等人就研究过，他们基于米氏散射理论分析了长链纳米颗粒中光能量的转移[18]。用Maxwell方程求解纳米颗粒链时可将单个颗粒作准静态近似，Maier等人在2003年求出纳米球链的电场分布，如图1-5将直径为50nm的金纳米球一字排开，球与球中心的间隔为75nm置于空气中[19]。(a)(b)
本文编号：2930581
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）罗马莱式杯，外侧照射发射光下呈绿色，内侧照射透射光下呈现红色；（b）纳米材料表面光场分布；（c）近场光学显微镜下的光子晶体结构；（d）扫描隧
电子科技大学硕士学位论文4图1-2（a）金属平面和介质交界处激发的表面等离子体激元示意图；（b）FDTDsolutions仿真分析下的SPP波；（c）金属纳米球产生局域表面等离子体原理图；（d）各种形状纳米颗粒的共振频率谱[13,14,15]。1.3表面等离子体激元的应用表面等离子体的应用，主要涉及到表面等离子体波导，光透过金属薄膜或纳米孔产生的超透射现象，表面等离子体在近场形成的场增强以及表面等离子体在生物传感器方面的应用[9]。1.3.1表面等离子体波导波导的约束与能量损失需要在特定的波导尺寸和几何形状下完成能量的交换。比如说金属薄膜间隙处于均匀介质环境下，类似于MIM（Metal-Insulator-Metal）结构，可以作为表面等离子体波的波导，该结构的波导可以让近红外频率的表面等离子体波传输距离达到几个厘米。众所周知，在上节我们介绍的在金属平面于介质交界处激发的表面等离子体波仅仅能传输几百微米，MIM结构波导将会是让表面等离子体波作为未来集成光波导通信的重要器件！然而在表面等离子体波矢的垂直方向上该结构对光波的束缚力不足。除了MIM波导结构外，金属纳米线或是纳米颗粒也可以作为表面等离子体的波导，因为这些结构在衍射极限的条件下可以对横电磁场模式进行较强的约束。这些纳米线或纳米颗粒会产生局域表面等离子体，电子的集体振荡会吸收表面等离子体波过多的能量从而让其传播距离大大缩减。(a)(b)(c)(d)
第一章绪论5如图1-3，表面等离子体波在波导中传播的近场光学成像图，用棱镜耦合的方式将波长为1550nm的入射光耦合到波导中激发表面等离子体波。图1-3（a）波导结构在近场光学显微镜下的成像；（b）波导内的等离子体波[16]。除了上述波导结构，各种形状的波导间隙和凹槽被制造用来传输表面等离子体波，以及设计成的环形波导可以作为环形谐振器或耦合器，如图1-4。图1-4（a）是近场光学显微镜下波导实物图；（b）是环形谐振器实物[17]。另外一种用金属纳米颗粒将入射光局域在衍射极限下从而起到波导的作用。由于多个纳米颗粒排成一排，他们之间可以通过偶极矩相互作用来传导等离子体波。其实这也是一种纳米光学天线，这在与后面将要介绍的八木天线原理相类似。其实早在1998年Quinten等人就研究过，他们基于米氏散射理论分析了长链纳米颗粒中光能量的转移[18]。用Maxwell方程求解纳米颗粒链时可将单个颗粒作准静态近似，Maier等人在2003年求出纳米球链的电场分布，如图1-5将直径为50nm的金纳米球一字排开，球与球中心的间隔为75nm置于空气中[19]。(a)(b)
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