微纳超材料结构的超分辨成像和超吸收特性的研究

发布时间：2017-12-07 23:08

  本文关键词：微纳超材料结构的超分辨成像和超吸收特性的研究

  更多相关文章： 超材料 表面等离子体 超分辨成像 超材料吸收器 FDTD

【摘要】：表面等离子体是由于入射电磁波与金属表面的自由电子共振而在金属/介质交界面上形成的一种表面电磁波。由于其很强的局域性和大平面动量的特性,使得表面等离子体被应用在生物传感器、非线性光学、超分辨成像以及完美吸收体等很多方面。微纳超材料是一种基于表面等离子体的人工设计的金属/介质的材料。由于表面等离激元共振,使得超材料结构具有许多独特的光学特性。研究微纳超材料结构里的表面等离子体特性,对设计优异性能的微纳光子器件具有重要的意义。然而,目前的微纳超材料结构还存在表面等离子体的波矢不高,吸收带宽不宽等问题,对于超分辨成像的高分辨率和可见光全波段高吸收的要求还存在一定的差距。为了解决以上问题,本论文围绕着微纳超材料结构在超分辨光学成像、完美吸收体上的应用进行研究,主要做的研究工作和取得的研究成果如下。1、在超分辨光学成像方面的工作。(1)设计了渐变介电常数超材料结构(GPMS)。该结构由交替的金属和介质组成,其中介质的介电常数是渐变的。采用严格的时域有限差分软件FDTD Solutions进行电磁场分布的数值模拟,得到了GPMS产生表面等离子体驻波的周期是84 nm(入射光波长是532 nm)。然后将GPMS应用于表面等离子体-结构光照明(PSIM),通过仿真得到了小于45 nm的成像分辨率,相比于传统的油浸显微镜,分辨率提高了5.6倍。(2)在上述工作的基础上,设计了一种三明治超材料结构(MSS),得到了31 nm周期的SPs驻波(入射光波长是532 nm)。将其运用于结构光成像中,可以得到小于16 nm的分辨率。同时还对该结构进行理论解析方法和FDTD仿真计算方法的对比分析,验证了结果的有效性。(3)生物样品在人体中是动态的,而目前的超分辨成像方法只是对生物样品进行准静态的成像。本论文设计了一种纳米腔超材料结构(MNCP),该结构可以和微流体系统结合,联合以后可以对生物样品进行实时动态的成像。利用设计的纳米腔结构,得到了105 nm周期的SPs驻波(入射光波长是532 nm)。将其运用于结构光成像中,可以得到60 nm的两点分辨率。同时利用FDTD仿真算法,对荧光分子在该结构的传播进行分析,验证了纳米腔结构成像的有效性。2、在超吸收特性研究方面的研究工作。(1)设计了微风车超材料结构,利用该结构可以在4个目标频率处得到超过91%的吸收率。这4个目标频率对应着4种毒品在1.4-2.7 THz波段的吸收峰。利用FDTD算法分析了该结构吸收的物理机理。数值模拟结果表明,所设计的微风车超材料结构在局域表面等离子体共振、慢光效应和法布里-泊罗共振共同作用下,实现对THz波的高吸收。分析了结构误差对吸收率的影响:亚单元之间的间隔对吸收率的影响较大,而扇形顶点处的半径对吸收率几乎没有影响。(2)提出了一种基于分层体系的随机纳米粒子模型。该模型在可见光波段(400-900 nm)内的吸收率高达90%。与传统的三明治吸收器相比,随机纳米粒子在光吸收方面起到很重要的作用。高吸收率可以归功于局域表面等离子体共振、在Ti O2介质中填充的Au纳米粒子的强散射效应。最后分析和讨论了随机纳米粒子不同参数对吸收率的影响。研究发现纳米粒子半径的范围越大、数量越大(即纳米粒子很密集),越不利于吸收率的提高。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O43

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