后焦平面成像角分辨光谱测量系统及其关键技术

发布时间：2020-06-12 21:47

【摘要】：表面等离激元(SurfacePlasmons,SPs)一般指金属纳米结构中自由电子的共谐振荡,凭借其独特的光学性质,在表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)、表面增强荧光、高灵敏生化传感、亚波长光波导等多种领域得到广泛应用。SPs特性与应用的相关研究需要实现SPs的可控激发与收集,同时SPs激发具有定向特性,因此建立具备角度分辨能力的光谱测量系统是研究SPs相关特性的一种重要且有效的手段。本文结合国家自然基金项目“角分辨光谱测量系统的建立及其在可控定向SERS基底光学表征中的应用”的任务要求,以研究等离激元结构样品的角分辨光学性质为目的,设计并搭建了基于后焦平面成像的角分辨光谱测量系统,并对其实验应用进行了探索。本文主要完成了以下工作:1.设计了角分辨光谱测量系统的光路结构,包括激发光路与收集光路两部分。合理选择光学元件参数,分析各光学元件对光路的影响,利用Zemax软件对系统光路进行仿真,验证了光路设计方案的有效性。2.以笼式光学系统为主体,设计了角分辨光谱测量系统的光机械结构,并搭建了完整的系统光路,设计了完整的光路调试过程,保证了光路的开放性与稳定性。对后焦平面图像位置与收集角度关系、系统激发角度分辨率与收集角度分辨率等关键参数进行了标定。3.分析了测量系统的功能需求,使用C#语言完整的实现了角分辨光谱测量系统软件,主要包括运动控制与光谱数据采集模块、光谱与图像处理算法模块和人机界面三大模块。4.通过实验验证了角分辨光谱测量系统的有效性,并开展了一些应用研究的探索。通过采集金膜样品后焦平面图像与一维周期光栅的角分辨反射光谱,并将光栅样品的角分辨反射光谱与理论计算结果进行对比,验证了系统的角度分辨率与可靠性;对二维周期性金属纳米结构进行了角分辨反射光谱表征,获得了金纳米结构样品SPs激发与发射的角分辨模式和二维周期性纳米结构基底上染料分子的角分辨荧光光谱。
【图文】：

介质界面,金属,电场分量,物理模型

其中为真空中入射光波矢，＆为介质介电常数，■＾为金属介电常数。由逡逑于一般情况下，金属介电常数实部绝对值远大于虚部，忽略金属介电常数虚部，逡逑可以得到如图１．２所示的入射光与ＳＰｓ的色散关系图。逡逑１．２］逦Ｚ逡逑，Ｌｉｇｈｔ邋ｌｉｎｅ逡逑】？（）？邋逦／邋？．二逦逡逑－０．８－邋，；邋一＂＂逡逑￡邋0６．户＜ＳＰＰ邋ｌ＞—Ｕｎｅ逡逑Ｅ．邋．逦／逡逑３邋０．４＊逦／逡逑０．２＊邋／逡逑０，０邋４—＾一＂，￣■—？，￣？一￣，一，逡逑０．０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１．０逡逑ｍ－１）逡逑图１．２入射光与ＳＰｓ的色散关系［１］逡逑３逡逑

示意图,色散关系,入射光,介电常数

Ｍｅｔａｌ逦＾逡逑图１．邋１邋（ａ）邋ＳＰｓ物理模型示意图（ｂ）邋ＳＰｓ电场分量随离金属／介质界面距逡逑离增大呈指数衰减［２９］逡逑偏振电磁波而言，其波矢Ａ邋＝邋（ｔ，＼．０），则其电场与磁场可分别表示为逡逑Ｅ邋＝邋［￡ｒ，￡，），，０］ｅｘｐ（／（Ａｖｘ邋＋邋Ａｖ．ｙ－ｗ0）逦“邋）逡逑／／邋＝邋［０，，０，邋Ｈ．邋］邋ｅｘｐ（／（Ａｔｊｒ邋＋邋ｋｙｙ邋－邋ｃｏｔ））逡逑结合边界连续条件，即金属－介质界面电场与磁场的切向分量连续，对麦克逡逑斯韦方程组进行求解，可以求得平坦金属表面ＳＰｓ波的色散关系［３１］：逡逑ＫＰ＝ｋ逦（１．３）逡逑＾ａ＋￡ｍ逡逑其中为真空中入射光波矢，＆为介质介电常数，■＾为金属介电常数。由逡逑于一般情况下，金属介电常数实部绝对值远大于虚部，忽略金属介电常数虚部，逡逑可以得到如图１．２所示的入射光与ＳＰｓ的色散关系图。逡逑１．２］逦Ｚ逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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