金属—介质混合型光子微纳结构光学共振模式性质研究

发布时间：2017-09-05 11:11

  本文关键词：金属—介质混合型光子微纳结构光学共振模式性质研究

  更多相关文章： 光子微纳结构 表面等离激元 角分辨光谱 光学共振模式 光子能带 光子等频图 相干性 SPP传感器

【摘要】：光子微纳结构是现今光电子行业的一个重要研究领域,涉及到光子晶体、表面等离激元(SPP)、超材料等一系列炙手可热的方向。该研究领域的特点在于可通过对材料结构的设计和仿真实现对电磁波的各种性质进行有效调控。目前为止光子微纳结构领域已经有了近30年的研究历史。在这期间,很多问题被一一解决,其巨大的应用前景已经受到诸多领域的高度重视。但不可否认现如今依旧有很多问题亟待解决,例如金属结构中的吸收损耗问题便是其中最突出的问题之一。 本论文针对光子微纳结构的理论计算、实验制备以及光谱表征手段进行了一定程度的探讨。在此基础上,我们对周期性金属—介质混合结构所支持的光学共振模式对自发辐射的调控进行了深入分析。主要研究成果如下： (1)对传统的微腔毛细法进行了改进,通过选用合适的小球浓度和铜丝直径,利用毛细管力和表面张力成功制备了不同直径单层聚苯乙烯胶体小球晶体,简化了光子微纳结构的制备工艺,降低了制备成本。 (2)通过深入的理论分析和光学辅助仿真技术,设计并搭建了宏观角分辨和显微角分辨光谱系统,该类设备可以方便快速地测试光子微纳结构对特定角度电磁波的响应。特别是显微系统,它具有角度分辨率高、入射光斑尺寸小,测试过程方便快捷等优势,并可通过一次性拍照方式获取所研究材料的光子能带结构和等频图。 (3)通过数值计算和角分辨光谱技术研究了平金属表面覆盖周期性二维胶体小球结构的光学性质。结果表明这种周期性金属—介质混合结构同时支持局域在金属表面的表面等离激元光学共振模式和局域在周期性介质内部的波导模式,这两种光学共振模式都具有很好的色散特性,而且在这种混合型结构中表面等离激元模式比传统的全金属结构具有更低的传输损耗和更长的传输距离。这可以为解决传输型SPP吸收损耗问题提供一种全新的思路,并可能被用于设计低损耗、高性能的光电子器件。 (4)从时间和空间相干性出发深入研究了光学共振模式对自发辐射的调控效应。当发光体的空间分布和波长与平金属表面覆盖周期性二维胶体小球结构中表面共振模式相吻合时,成功利用漏模对自发辐射的强度、方向、时间寿命、空间相干性进行了有效地调控。研究表明该结构可以在对发光强度影响较小的情况下,通过电磁场与表面模式的弱耦合作用将一个非相干光源转换成部分相干光源。这种获得相干光源的方法将在光学成像,光学传感等诸多方面产生积极影响。 (5)以平金属表面覆盖周期性胶体小球结构为基础,利用FDTD算法研究了该结构所表现出来的一些新奇的光学性质。理论研究表明这种混合结构对压应力异常敏感,为基于SPP的压力传感器件的设计提供了一种新模型。同时由于表面模式的存在以及较强的局域电磁场,使得该样品表现出较强的几何结构旋光性,即在电磁波斜入射的情况下对左旋和右旋圆偏振光的光谱响应表现出一定的差异性。
【关键词】：光子微纳结构 表面等离激元 角分辨光谱 光学共振模式 光子能带 光子等频图 相干性 SPP传感器
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-33
• 1.1 光子晶体11-17
• 1.2 表面等离激元17-25
• 1.3 超材料25-28
• 1.4 金属—介质混合结构28-31
• 1.5 光子微纳结构研究中存在的问题31-33
• 2 光子微纳结构的制备与理论模拟方法33-44
• 2.1 单层胶体小球的自组装技术34-39
• 2.2 光子微纳结构的理论模拟方法39-44
• 3 光子能带结构与光子等频图测试系统44-57
• 3.1 宏观角分辨光谱测试系统45-47
• 3.2 显微角分辨光谱测试系统47-55
• 3.3 小节55-57
• 4 周期性金属—介质型光子微纳结构光学共振模式57-70
• 4.1 样品结构及制备方法58-59
• 4.2 光学性质表征与讨论59-67
• 4.3 高灵敏度的化学物质传感器67-69
• 4.4 小结69-70
• 5 周期性金属—介质型光子微纳结构对荧光特性的调控70-89
• 5.1 样品结构与理论模型70-75
• 5.2 荧光定向增强辐射75-77
• 5.3 荧光相干性调控77-88
• 5.4 小节88-89
• 6 二维小球结构表面模式特殊光学性质的理论研究89-100
• 6.1 表面等离激元传感器89-95
• 6.2 光学共振模式的旋光特性95-99
• 6.3 小节99-100
• 7 总结与展望100-103
• 7.1 主要工作及结论100-101
• 7.2 工作展望101-103
• 致谢103-105
• 参考文献105-117
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录117

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