微纳复合结构光学表面等离子激元器件及其多特性融合研究

发布时间：2020-06-30 13:59

【摘要】：表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritions,SPPs)是金属表面自由电子与光之间相互作用所形成的一种表面电磁波模式,具有突破衍射极限、亚波长局域与聚焦、近场增强和超分辨成像等特性,这些特性使其在亚波长波导、高灵敏度光学传感、高精度纳米光刻、高分辨率显微镜设计等领域具有巨大应用潜力。对表面等离子激元的激发方式、传输规律以及调控手段的认识与探索,将揭示光与亚波长微纳结构的相互作用机理,促进表面等离子激元微纳光电子元器件的研制,推动新一代微型光电子器件、光电集成技术与系统的发展。本论文在微纳光栅、微纳阵列膜和金膜覆盖型纳米盘等表面等离子激元器件的设计与应用方面展开研究。根据表面等离子激元的基本理论,以有限元法和时域有限差分法作为主要数值计算工具,从单双层金属光栅结构向复合周期双层金属光栅结构过渡,通过器件设计和参数调试实现了多种光谱特性及非常规电磁材料属性特征;利用纳米棒膜、纳米盘膜复合结构实现了高吸、极窄带滤波、传感及场强局域等光学特性的高度集成应用;进而对金膜覆盖型纳米盘结构传感器件进行了性能的理论建模、器件制作和实验研究,实现了对免疫球蛋白等生化分子的特征识别与检测,推动了表面等离子激元纳米生化传感技术的研究进展。论文的主要工作如下:1.基于对表面等离子激元理论、典型数值计算方法及金属材料色散模型的分析研究,设计了单层金属薄膜微纳光栅,利用其奇异光学特性,实现了双向偏振滤波、波长和强度调制等光电测控。通过计算入射光从底、顶斜入射结构的反射光谱,发现该结构具有近红外波段的双向双通道窄带偏振滤波特性,近红外宽波段双向无偏振选择高反特性,可用于实现波长和强度调制等传感测量,并且其滤波、传感特性与角度调制兼容;利用SPP共振效应、偶极共振效应揭示了该结构的物理机制,通过周期调制实现了可见光到近红外频段的可调谐滤波。该结构可用于实现制作双向滤波、宽波段偏振独立高反射及高灵敏度传感等多特性融合的微纳光器件。2.通过对金属-介质-金属交替型微纳薄膜光栅结构的建模探究,实现了不同周期调制下的多功用化特性融合。首先,在周期取值为200 nm时,该结构呈现从紫外-可见-近红外的分波段异常光学透射现象,且在近红外波段表现了多种非常规电磁材料属性;增大结构周期到400 nm,受折射率调制表现出从紫光到红光的反射式等离子激元可调谐滤波特性,各滤波波长受制于不同位置的SPP以及偶极共振的激发;继续增大周期到1000nm,获得了特定红外波长处的窄带偏振滤波特性;最后,在周期取值达1550 nm时该结构呈现波长和强度调制型传感特性,SPP共振激发位置的改变是主要诱因,其折射率灵敏度达1556 nm/RIU。该结构的设计为研发新型小型、多功用高集成化微纳光学器件提供参考价值。3.将复合周期引入金属-介质-金属纳米结构,通过调制复合周期参数实现了对金属光栅结构光谱特性的调控。对反射谱、透射谱及吸收谱的分析发现该结构能集多通道窄带滤波及99%以上的吸收特性于一体,可同时实现多通道波长强度调制型传感功能,其折射率灵敏度能达2080 nm/RIU,品质因数能达92.1 RIU-1。通过结构参数的调试,与单周期特征光谱的对比,表明该结构特征由磁共振效应、SPP共振效应及类F-P共振效应共同决定。该结构为提高表面等离子共振传感器性能,开发集更多通道的窄带滤波及完美吸收特性于一体的微纳光学器件提供解决思路与方案。4.利用阵列膜系结构的强等离子激元特性及低传输损耗特性,设计研究了两类纳米阵列金属薄膜微纳结构,利用金属纳米结构中等离子模式间的耦合实现了多特性融合光学调控。在椭圆帽式纳米棒膜结合微结构中,对激发的双共振窄带高吸峰进行了分析,通过对角度容忍度、折射率传感响应特性及场增强效应的分析发现,棒膜间磁偶极相互作用引起场局域增强效应达110倍,可用于实现单分子拉曼光谱探测;进而设计了偏振无关的六角形纳米盘膜结合式微纳结构,利用纳米盘阵列构型的调节变化实现了双窄带高吸、窄带滤波及宽折射率范围传感的多重特性。该类结构可用于实现多功用集成式微纳光子器件。5.研制实现了突破亚波长尺度的金膜覆盖纳米盘传感器件,并用于IgY、IgG的生化检测。设计了六角形金膜覆盖纳米盘阵列结构,利用光刻法完成器件制备,通过对不同入射角和方位角下的透射谱分析,揭示出现多级等离子共振带的物理激发机制,通过对最优结构参数取值下的传感特性进行理论计算与器件性能测试,发现其折射率灵敏度、全峰半高宽、品质因数及折射率分辨率整体性能表现良好;通过生化传感响应检测发现,该传感器对IgY的检测限低至5pg/mm2;将该结构用于人体尿液的IgG检测,提高了表面等离子激元纳米传感技术在生化检测中的灵敏度。该纳米盘器件检测通用性强,可扩展应用到其它免疫球蛋白分子检测中。木论文通过设计和探究微纳光栅、微纳阵列膜和金膜覆盖纳米盘传感器件,目的在于实现其在滤波、高吸、场强局域及蛋白生化检测方面的特性融合,今后可结合新型纳米材料及制备工艺,在研制新型多功用集成微纳光学器件方面继续深入开展研究。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O441
【图文】：

表面等离子激元,传播型,穿透深度,色散曲线

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｉｃ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ．邋（ａ）邋Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ；邋（ｂ）逡逑Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｐｔｈ邋ｏｆ邋ｍｅｔａｌ邋ａｎｄ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑从图１．２邋（ａ）发现，ＰＳＰ的波矢始终比入射光的波矢大，因此，在正常情况下，入射逡逑光无法直接激发出ＰＳＰ。通过光激发ＰＳＰ必须要补偿动量。通过高能粒子激发ＰＳＰ必须逡逑要达到一定的能量值，ＰＳＰ的能量一般对应于可见光甚至紫外光能量，能量小的粒子束逡逑无法激发ＰＳＰ。激发ＰＳＰ的方法主要包含以下几种。逡逑（】）带电粒子的激发逡逑１９５７年，Ｒｉｔｃｈｉｅ在对金属薄膜上低能电子束衍射衰减能谱的研究中发现，损耗谱逡逑中除了固有能量为的体等离子激元的激发之外，还出现了一个更低能量的逡逑处的衰减｜３１］。对于这个低位能量损失，则是由于金属膜内的电子等离子体在外界高能电逡逑子束作用下，在金属－空气界面产生的表面等离子激元所致。逡逑（２）棱镜z1合逡逑－６邋－逡逑

表面等离子激元,传播型,衰减全反射,棱镜

棱镜耦合激发表面等离子激元在１９６８年被提出，运用衰减全反射产生的倏逝波来逡逑实现波矢匹配。主要有Ｏｔｔｏ结构和Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构两种方式，如图．１．３所示。在Ｏｔｔｏ逡逑结构（如图１．３（ａ））中，金属薄膜与棱镜表面间有一定厚度的空气间隔层，当入射光在棱镜逡逑表面发生全反射时，产生的倏逝波经过空气层隧穿到金属薄膜上激发等离子激元。由于逡逑Ｏｔｔｏ结构中的空气间隔层厚度不易精确控制，一般只在金属薄膜需要保护的情况下才会逡逑用到这种方式；在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构（如图１．３（ｂ））中，金属薄膜位于棱＿镜的表面上，入射逡逑光经过棱镜发生衰减全反射后，部分能量隧穿过金属薄膜到达金属－空气界面产生ＳＰＰ。逡逑Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构要求金属薄膜的厚度在一定范围内（在可见光激发下，金属薄膜的厚度逡逑大概在ｌＯＯｎｍ以内较为合理），从而保证倏逝波能够有效的隧穿过金属薄膜。相对于Ｏｔｔｏ逡逑结构，Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构在实际操作上更为简便，故应用更为广泛。逡逑（ａ）逦▲逦（ｂ）逦▲逡逑图１．３基于棱镜衰减全反射激发的传播型表面等离子激元（ａ）Ｏｔｔｏ结构；逡逑（ｂ）Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｒｍ邋结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｐｒｉｓｍ邋ｃｏｕｐｌｉｎｇ邋ｔｏ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ邋ｔｏｔａｌ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ逡逑ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ

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