基于金属纳米结构的光传输特性及其应用研究

发布时间：2017-09-13 16:33

  本文关键词：基于金属纳米结构的光传输特性及其应用研究

  更多相关文章： 表面等离子体激元 混合等离子体波导 纳米传感器 折射率 温度

【摘要】：表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是在金属表面自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。由于表面等离子体激元能克服光的衍射极限,因此利用表面等离子体激元能够实现光学信号在纳米尺度的传输、处理及相关应用。开展对表面等离子体激元的物理机制以及特性的研究,将在理论上加深人们对光与金属纳米结构相互作用规律的认识；此外,对基于表面等离子体激元的纳米光电子器件的研究,将促进集成光路、光波导、生物光子学等的研究进展。针对金属纳米结构的光传输特性、调控手段及传感应用等问题,本论文主要采用电磁波流行的仿真方法--有限元方法(Finite Element Method, FEM)和时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain, FDTD)进行了较为系统的研究。本论文的主要研究内容和成果如下：(1)对混合等离子体波导的研究,本文提出并研究了一种介质微环-金属薄膜-介质微环结构混合等离子体波导。我们利用有限元方法计算并分析了微环与金属薄膜间SPPs模式分布、模式面积、长程传输、SPPs模式与圆柱形介质波导模之间的耦合强度等。研究结果表明该结构能显著增强耦合效应,该结构的SPPs模和介质波导模在大的狭缝宽度(400mn)也能够实现较强耦合,而传统的结构要实现强耦合时,狭缝宽度需要保持在几十个纳米范围内。更为重要的是,研究表明介质微环与金属薄膜距离h和微环直径D的变化对模式耦合影响很小,这对抑制结构缺陷带来的不利影响是非常有利的。该研究显示了该混合等离子体波导的优越性,这对设计高效等离子体微纳激光器提供了一条途径。(2)通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3b建模仿真,提出了一种具有超高灵敏度的SPPs折射率传感器。该纳米传感器主体结构由两根SPPs波导与纳米共振环耦合组成。首先分析了在金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导结构中,介质折射率对SPPs有效折射率的影响,通过数值计算,分析了MIM波导与纳米环耦合结构的SPPs传输特性,之后通过调查探测样品折射率对传输谱的影响来系统研究该结构的传感特性。我们的研究表明该结构的传输谱存在三个传输峰,所有峰值波长(共振波长)的漂移与探测材料的折射率成线性关系。另外,通过研究结构参数对传感器探测灵敏度的影响,我们对传感器结构参数进行了优化,优化后该折射率传感器灵敏度超过先前报道,高达3460nmRIU-1,该值约为先前报道最高值的3.3倍；再则,该结构可以设计成温度灵敏度高达1.36nm/℃的纳米温度传感器。该研究为纳米折射率传感器及纳米温度传感器的设计与应用奠定了十分重要的理论工作基础。(3)提出了一种SPR纳米传感器,其结构为单三角形缺陷的金属-介质-金属结构(metal-insulator-metal, MIM)等离子体波导,与传统的MIM波导相比,该结构能在缺陷区引起局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonances, LSPR)从而产生共振吸收,因此可以实现光学滤波功能,从而可以当作SPPs滤波器使用。研究结果表明：由于局域表面等离子体共振吸收使得该结构的传输谱存在凹点,且传输谱上的凹点对应波长与三角形缺陷的高、宽有关；此外,与凹点对应的光波通过该结构时,在缺陷区域会展现最大的电磁场增强效应。由于局域表面等离子共振对周围介质材料折射率变化非常敏感,因此我们利用该特性把该金属纳米结构设计成一个纳米尺度的SPR传感器。通过二维有限元方法(2D FEM)建模,我们对其折射率传感特性和温度传感特性进行了分析,计算结果表明其传输谱凹点对应波长与探测介质材料的折射率以及环境温度都成线性关系。通过研究结构参数对传感灵敏度的影响,发现当三角形缺陷的项角比较尖锐时,该纳米传感器不仅能获得较高的传感灵敏度(1736nmRIU-1),也能获得较高的品质因数(9.79)。该器件的小型化和构造的简单化便于其与芯片集成。(4)首次提出了一个纳米尺度的表面等离子体波导结构型温度传感器,并通过理论分析和数值模拟对其温度传感特性进行了系统的研究。该纳米温度传感器由金属-介质-金属结构SPPs波导和乙醇密封矩形腔耦合构成。本文研究了该结构的电磁波传输、场强分布、温度传感特性及结构参数对温度灵敏度、耦合强度的影响。研究发现在银-乙醇-银的亚波长结构中,SPPs的有效折射率随着温度的增加而线性减小。该温度传感器的传输谱在600nm～1800nm存在两个传输峰,峰值波长随着温度的升高发生蓝移。进一步分析表明传输峰值波长与温度具有线性的关系,通过探测共振峰的变化从而可以探测环境温度。基于二维时域有限差分法(2D FDTD)的仿真结果表明：该纳米温度传感器的灵敏度与矩形腔长、高以及密封在纳米矩形腔内的液体的热光系数有关,该结构能获得-0.65nm/℃的温度传感灵敏度。此外,由于调节温度就可以控制其带通滤波特性,因此该结构可以当作可调的带通滤波器使用。该研究结果对设计纳米尺度的光电子器件具有一定的指导意义。这是首次提出并系统分析利用SPPs波导做纳米温度传感器,我们的研究有利于拓展SPPs波导的应用范围。(5)研究了单缺陷矩形纳米腔中的双法诺(Fano)共振效应及其在传感中的应用。单缺陷矩形纳米腔在腔的边界处与MIM波导进行耦合,该部分研究了单缺陷矩形纳米腔在结构参数以及探测介质材料折射率变化条件下的光学特性,主要阐述了该金属微纳结构中双Fano共振现象产生的物理机制,结构参数对Fano共振的影响以及Fano共振在纳米传感领域中的应用。通过对Fano共振线型的优化,提高了折射率传感、生物传感的灵敏度及品质因数。我们的研究将有‘助于人们更好地理解金属纳米结构中的Fano共振产生机制,对于设计满足Fano共振要求的金属微结构光电子器件具有一定指导意义。(6)提出了一种大小不一的双纳米圆盘与MIM波导耦合结构的SPPs滤波器,并采用二维时域有限差分法(2D FDTD)研究了其滤波特性,发现在该结构输入波导上部、下部两个纳米圆盘各自存在两个共振波长,使得输出信道1、2也都对应存在两个传输峰,共振波长可以通过纳米圆盘的半径来调节,另外发现纳米圆盘与MIM波导的耦合距离是影响传输损耗以及谱线带宽的一个重要因素。进一步研究发现,该结构中的两个圆盘是独立工作的,且各圆盘的共振波长对填充在其内的探测样品折射率变化非常敏感,我们可以利用该特性把该结构设计为多参量纳米传感器,使得其可以应用到纳米复杂环境的检测中去。通过把两根输出波导向左延伸适当长度,利用相消干涉,可以实现信道的单带宽传输,两个纳米圆盘的中间对称的延长线位置再增加两根输出波导,可以把该结构设计成一个4信道SPPs解复用器,使得4个共振波长分离并在不同的信道传输。该结构在未来光通信和光传感可能具有一定应用价值。
【关键词】：表面等离子体激元 混合等离子体波导 纳米传感器 折射率 温度
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-40
• 1.1 表面等离子体激元13-22
• 1.2 局域表面等离子体激元22-26
• 1.3 金属介电常数的色散模型26-30
• 1.4 仿真中采用的数值计算方法30-32
• 1.5 本论文的主要工作32-34
• 参考文献34-40
• 第二章 混合表面等离子波导的模式耦合特性研究40-50
• 2.1 引言40-41
• 2.2 模型和理论41-42
• 2.3 仿真结果及分析42-46
• 2.4 本章小结46-47
• 参考文献47-50
• 第三章 狭缝波导与环型谐振腔耦合结构的传感特性研究50-64
• 3.1 引言50-51
• 3.2 模型结构与理论分析51-52
• 3.3 折射率传感特性研究52-55
• 3.4 温度传感特性研究55-56
• 3.5 结构参数对传感灵敏度的影响56-59
• 3.6 本章小结59
• 参考文献59-64
• 第四章 基于单缺陷狭缝波导的SPR传感器64-77
• 4.1 引言64
• 4.2 表面等离子体共振传感原理64-66
• 4.3 基于单三角形缺陷狭缝波导的SPR传感器理论模型66-68
• 4.4 单三角形缺陷狭缝波导的传输特性研究68-70
• 4.5 单三角形缺陷狭缝波导的传感特性研究70-73
• 4.6 本章小结73
• 参考文献73-77
• 第五章 基于乙醇填充矩形腔的纳米温度传感器77-89
• 5.1 引言77-78
• 5.2 理论模型及传感器原理78-81
• 5.3 仿真结果与分析81-85
• 5.4 本章小结85-86
• 参考文献86-89
• 第六章 单缺陷纳米腔中的双Fano共振及其传感研究89-104
• 6.1 引言89-91
• 6.2 结构设计与计算方法91-93
• 6.3 单缺陷金属纳米腔中的双Fano共振效应93-95
• 6.4 Fano共振传感特性研究95-99
• 6.5 本章小结99
• 参考文献99-104
• 第七章 基于双纳米圆盘的多功能SPPs滤波器104-116
• 7.1 引言104-105
• 7.2 结构设计和理论分析105-107
• 7.3 双圆盘与狭缝波导耦合结构的滤波特性研究107-109
• 7.4 双纳米圆盘多参量传感特性分析109-111
• 7.5 基于双纳米圆盘的SPPs解复用器111-112
• 7.6 本章小结112-113
• 参考文献113-116
• 第八章 总结与展望116-120
• 8.1 论文总结116-118
• 8.2 未来工作展望118-120
• 致谢120-122
• 攻读博士学位期间发表的论文122

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张晋红;吴风林;;有限元法及其应用现状[J];建材技术与应用;2007年04期

2 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

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本文编号：844806