表面等离激元微腔共振特性研究

发布时间：2017-04-15 18:13

  本文关键词：表面等离激元微腔共振特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是金属表面的集群振荡自由电子与外界电磁波耦合激发所形成的一种表面电磁波。在多个SPP共振单元构成的体系中,共振单元之间的相互作用直接决定了整个体系的光学特性。根据共振单元之间的距离,这种作用可以分为近场和远场相互作用。对于近场情况,SPP共振单元通过耦合作用形成杂化的SPP模式。对于远场情况,SPP共振单元在法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔模式的辅助下发生相互作用,使得两个SPP共振单元构成了一个表面等离激元微腔。得益于SPP的诸多特性,如具有较强的电磁场增强、对外界折射率变化敏感、且能够被局域在亚波长范围内,SPP微腔在表面增强拉曼散射、荧光增强、太阳能电池、生化传感器、亚波长光刻、光子集成回路等诸多方面发挥着重要作用。最近,国内外对于表面等离激元微腔的研究尚处于起步阶段,还需对其进行全面深入的研究。目前针对于表面等离激元微腔还有诸多问题尚未探究,例如表面等离激元微腔内如SPP模式、FP腔模式、波导模式等多种模式之间的相互作用的机理分析;SPP共振单元形状,材质对表面等离激元微腔内各种模式的影响;表面等离激元微腔的结构对称性对其光谱响应的影响;拓展型表面等离激元微腔中存在的特殊光学性质。基于以上问题,本论文将对几种不同类型的金属-介质复合微腔的相关光学特性进行研究,如SPP模式之间的杂化、SPP模式与FP腔模式相互作用、SPP模式与波导模式相互作用、多种模式之间的反交叉行为以及单向光谱响应、纳米喷射等特性。提出了一种以两套双金属光栅构成的表面等离激元微腔,研究了这种微腔中的SPP布洛赫模式、FP腔模式、波导模式之间的相互作用。研究表明SPP布洛赫模式通过近场耦合形成了四种杂化模式。改变介质折射率环境,这种模式杂化行为可以被有效控制。当腔内填充高折射率介质时,腔内支持的波导模式和SPP布洛赫模式发生耦合而形成波导等离激元模式。根据模式对称性和相对相移理论阐明了杂化的SPP布洛赫模式与FP腔模式之间的反交叉作用机理。研究发现,通过改变两套双金属光栅之间的横向相对位置,可实现对模式之间的反交叉行为的控制。双金属光栅构成的SPP微腔在亚波长光刻、可调SPP滤波器、光与物质相互作用等方面都具有一定应用价值。提出了一种以两套具有不同厚度的金属纳米带阵列构成的表面等离激元微腔,研究了这种微腔的单向光谱响应。研究表明当TM波照射微腔激发FP共振时,对于正向入射波,SPP微腔表现出吸收器特性,而对于反向入射波,SPP微腔则表现出反射器特性。分析表明将两个非对称金纳米带阵列视为微腔的两个强色散反射镜面,可发现纳米带的局域表面等离激元(Localized SurfacePlasmon,LSP)共振所产生的反射相移是单向光谱响应形成的关键。基于多次干涉理论和传输线模型,阐明了非对称表面等离激元微腔的单向光谱响应的形成机理。此部分工作为金属微结构的光谱控制和微腔内光与物质的相互作用的研究提供了一种新的思路。非对称金属纳米带阵列构成的SPP微腔在方向相关的SPP调控器、单向热辐射方面具有潜在价值。提出了一种以金属薄膜与微米量级介质圆盘构成的复合表面等离激元微腔。研究发现在介质圆盘和金属薄膜复合结构中,SPP在介质圆盘边缘阴影区可形成SPP纳米喷射现象。研究表明SPP纳米喷射具有与光子纳米喷射类似的性质:可沿着传播方向传播一到两个波长并且保持亚波长束腰宽度。由于表面等离激元具有电磁场增强和亚波长局域特性,SPP纳米喷射可束缚在金属表面,且其电场有约30倍的增强。研究表明SPP纳米喷射与光子纳米喷射具有相同的形成机理,但对于SPP纳米喷射而言,即使介质圆盘的折射率不在最佳匹配情况下,也可通过改变介质圆盘的厚度实现SPP纳米喷射的激发。SPP纳米喷射在拉曼散射增强、高灵敏度生化传感器、集成化SPP回路等方面具有良好应用前景。另外,首次提出利用SPP纳米喷射实现介质加载SPP波导模式的激发。研究发现当介质圆盘边缘与介质脊之间具有适当距离时,SPP纳米喷射可高效地耦合到介质脊中,从而实现介质承载SPP波导模式的高效率激发。
【关键词】：表面等离激元 光学微腔 纳米喷射 模式杂化 单向光谱响应
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441.4;O485
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-34
• 1.1 研究目的和意义12-13
• 1.2 表面等离激元13-26
• 1.2.1 表面等离激元发展历程13-16
• 1.2.2 表面等离激元基本原理16-21
• 1.2.3 表面等离激元研究现状21-26
• 1.3 表面等离激元微腔26-32
• 1.3.1 SPP单元之间的近场、远场耦合特性26-28
• 1.3.2 金属-介质微腔中的SPP色散关系28-30
• 1.3.3 SPP光学微腔的研究意义与进展30-32
• 1.4 本文的主要研究内容32-34
• 第2章 双金属光栅复合微腔中的SPP模式耦合特性34-55
• 2.1 引言34-35
• 2.2 严格耦合波分析方法35-39
• 2.3 双金属光栅中的SPP布洛赫模式39-43
• 2.3.1 双金属光栅激发的SPP布洛赫模式分布39-42
• 2.3.2 金属介电常数差异对SPP布洛赫模式的影响42-43
• 2.4 双金属光栅SPP微腔的模式耦合特性43-52
• 2.4.1 介质折射率对称分布的双金属光栅SPP微腔43-47
• 2.4.2 高折射率包覆层非对称介质折射率分布双金属光栅SPP微腔47-49
• 2.4.3 低折射率包覆层非对称介质折射率分布双金属光栅SPP微腔49-52
• 2.5 基于双金属光栅SPP微腔的可调光学滤波特性52-53
• 2.6 本章小节53-55
• 第3章 非对称电磁超表面微腔的单向光谱响应特性55-74
• 3.1 引言55-57
• 3.2 金属纳米带阵列的光学特性57-60
• 3.2.1 纳米带阵列的光谱响应57-59
• 3.2.2 纳米带阵列的反射相移59-60
• 3.3 非对称电磁超表面微腔的光学特性60-65
• 3.4 非对称电磁超表面微腔的单向光谱响应机理分析65-72
• 3.4.1 非对称电磁超表面微腔的单向光谱响应的多次干涉理论分析65-69
• 3.4.2 非对称电磁超表面微腔单向光谱响应的传输线模型分析69-72
• 3.5 本章小结72-74
• 第4章 金属-介质圆盘复合结构的SPP纳米喷射特性74-92
• 4.1 引言74-78
• 4.2 有限元方法和COMSOL MULTIPHYSICS基本介绍78-79
• 4.3 金属-介质圆盘复合结构的SPP纳米喷射79-86
• 4.3.1 SPP纳米喷射基本性质79-82
• 4.3.2 介质圆盘的结构和折射率对SPP纳米喷射的影响82-86
• 4.4 SPP纳米喷射与介质承载SPP波导的模式耦合效应86-91
• 4.5 本章小结91-92
• 结论92-95
• 参考文献95-106
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果106-108
• 致谢108-109
• 个人简历109

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