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文檔簡介
1、在集成光學和納米光子學領(lǐng)域,由于衍射極限的限制,傳播場和局域場之間的高效轉(zhuǎn)換是一個關(guān)鍵的基本物理問題。借鑒微波天線的概念,光學天線能夠?qū)崿F(xiàn)傳播場和局域場的高效轉(zhuǎn)換。隨著現(xiàn)代納米技術(shù)的快速發(fā)展,亞波長尺度的金屬結(jié)構(gòu)加工也更易于實現(xiàn),極大地促進了光學天線領(lǐng)域的研究開展,光學天線在超衍射分辨成像、高分辨率光譜技術(shù)、高效率太陽能電池以及納米光刻等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,被認為是現(xiàn)代光學發(fā)展的重要方向之一。矢量光場通過對光場偏振狀態(tài)在空間上的裁
2、剪從而可以與光學天線等亞波長金屬結(jié)構(gòu)更加有效地相互作用。圓柱矢量光束由于其特殊的空間變化的偏振分布,為光場的裁剪提供了新的思路。本論文以光學天線的設(shè)計和應(yīng)用為研究目標,對圓盤形、牛眼形和螺旋形光學天線在近場光學中的應(yīng)用進行了理論和實驗的研究,通過矢量光場與不同結(jié)構(gòu)天線的相互作用,可以根據(jù)特定應(yīng)用的需求對光場進行裁剪。
本論文解決的主要科學問題及取得的學術(shù)成果總結(jié)如下:
問題一:根據(jù)相關(guān)報道,通過將量子點與牛眼
3、天線相耦合,牛眼天線能夠?qū)晒鈭龅膹姸取⒎较蛐砸约俺錾浞较蜻M行很好的調(diào)控。除此之外,在量子信息處理、單分子傳感以及集成光子電路等應(yīng)用中,納米尺度的空間結(jié)構(gòu)光場也有著極其重要的應(yīng)用。然而,在現(xiàn)有的光學天線研究中,對發(fā)光體輻射場的角動量調(diào)制還未得到實現(xiàn)。
問題一的學術(shù)思想及解決方案:當納米尺度發(fā)光體靠近光學天線時,輻射場的特性會因天線的光學共振而發(fā)生改變。當光束與均勻、各向同性的光學天線發(fā)生相互作用時,例如牛眼天線結(jié)構(gòu),自旋和
4、軌道角動量之間的守恒是相互獨立的。然而,如果天線的結(jié)構(gòu)更為復雜,例如各向異性或非均勻,入射光子與天線之間將產(chǎn)生自旋-軌道相互作用。當輻射場與螺旋天線發(fā)生相互作用時,根據(jù)物理系統(tǒng)中的總角動量守恒規(guī)則,螺旋結(jié)構(gòu)的手性將轉(zhuǎn)化出射光子攜帶的角動量,從而實現(xiàn)對光子角動量的調(diào)控。
提出并設(shè)計了可用于調(diào)制納米尺度發(fā)光體輻射場特性的阿基米德螺旋天線。通過將量子點與螺旋天線相耦合,能夠獲得方向性極好的圓偏振渦旋光束;通過改變螺旋結(jié)構(gòu)的螺距和
5、激發(fā)點源的位置,可以對出射光子的軌道角動量和出射方向進行有效的控制。實驗中得到了與理論計算相符的結(jié)果,獲得了半高全寬為10°、峰值強度增強為70倍、方向性為11.4 dB、圓偏振的消光比為10的熒光場。當受激點源的位置偏離螺旋結(jié)構(gòu)幾何中心200nm和500nm時,觀測到的熒光場峰值的偏移角度分別約為3°和6°。
問題二:在納米光刻應(yīng)用中,復雜圖案的加工可以通過表面等離子體(SPPs)近場探針逐點掃描的方法實現(xiàn)。為了獲得較高
6、的SPPs場增強,通常采用徑向偏振激發(fā)的軸對稱探針結(jié)構(gòu)。然而,由于激發(fā)光的偏振態(tài)在空間呈非均勻分布,徑向偏振光的中心奇點需要與探針的結(jié)構(gòu)中心準直。因此,該探針無法做成陣列而用于大面積的光刻應(yīng)用。同時,在實際應(yīng)用中需要一套掃描裝置,從而降低了刻寫的速度,限制了光刻的面積。
問題二的學術(shù)思想及解決方案:對于特定手性的阿基米德螺旋天線,它能夠?qū)⒕哂邢嗤中缘膱A偏振光場聚焦為中空的光斑,而將相反手性的圓偏振光場聚焦為實心光斑。
7、r> 提出并設(shè)計了一種錐形針尖整合在螺旋天線幾何中心處的近場探針。螺旋天線的聚焦場分布具有自旋取向的空間分離特性,因此當入射光子的自旋態(tài)發(fā)生改變時,針尖尖端處的光場也會產(chǎn)生對比度很大的明暗變化。為了在獲得高場強的同時保持相對較低的遠場輻射損耗,探針采用了雙層螺旋和復合型針尖的結(jié)構(gòu)設(shè)計。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,針尖處可獲得的最高場增強因子為366,相對應(yīng)的消光比為81。該探針采用的激勵源為偏振態(tài)在空間中均勻分布的圓偏振光束,在使用時無需
8、進行中心對準,因此可做成陣列的形式用于大面積的復雜結(jié)構(gòu)的光刻加工。
問題三:在光學系統(tǒng)中,存在著很多具有軸對稱性的光學器件,例如由同心環(huán)形狹縫構(gòu)成的牛眼天線,以及近場掃描光學顯微鏡(NSOM)的探針。當普通的線偏振光束作用于這些軸對稱結(jié)構(gòu)時,SPPs只會在線偏振的方向上被激發(fā),限制了在焦點處的局域場強度,同時焦場呈中空的兩瓣分布,限制了光學器件所能達到的分辨率。
問題三的學術(shù)思想及解決方案:徑向偏振光束的偏振
9、態(tài)在橫截面上呈徑向的軸對稱分布,當其作用于同樣軸對稱的金屬結(jié)構(gòu)時,SPPs會在全部的角向方向上產(chǎn)生,從而獲得高效激發(fā)的SPPs場?;谶@一特點,對現(xiàn)有的增強光學透射(EOT)結(jié)構(gòu)和近場探針結(jié)構(gòu)進行了改進,獲得了更好的性能。
提出并設(shè)計了一種基于徑向偏振光激發(fā)的EOT結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由金膜上的單圈環(huán)形狹縫和位于狹縫下方的圓盤形納米金膜天線組成。納米天線能夠?qū)⑷肷涔鈭龅哪芰砍浞值氖占?,并高效的耦合至環(huán)形狹縫,繼而傳播到自由空間,獲
10、得極強的EOT效應(yīng)。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,該EOT結(jié)構(gòu)最高可獲得251倍的傳輸效率增強,遠遠高于之前相關(guān)報道中利用線偏振態(tài)激發(fā)所能達到的數(shù)值。
提出并設(shè)計了一種錐形針尖整合在牛眼結(jié)構(gòu)中心的復合型近場探針。牛眼天線和錐形針尖都具有非常好的SPPs聚焦效應(yīng)。在徑向偏振光的激發(fā)下,這種探針結(jié)構(gòu)有著比單獨的牛眼或針尖結(jié)構(gòu)更高的場增強因子。與入射場相比,針尖頂端附近能獲得467倍的電場增強,比單獨的錐形針尖結(jié)構(gòu)提高了100%,比單獨的
11、牛眼結(jié)構(gòu)提高了200多倍。同時,探針的場增強因子不會隨針尖錐角的改變而發(fā)生劇烈的變化,大大降低了對加工精度的要求。
問題四:消逝貝塞爾光束在非線性光學、原子光學以及光學微操控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在之前的報道中,通過將徑向偏振光強聚焦在銀膜表面,可以產(chǎn)生消逝的零階貝塞爾光束。然而,在光鑷應(yīng)用中,希望能夠產(chǎn)生多種階次的消逝貝塞爾光束,應(yīng)用于不同種類顆粒的光學捕獲。
問題四的學術(shù)思想及解決方案:光子晶體有著可控的
12、色散關(guān)系和傳輸特性,通過合理的選取參數(shù),當光場處于特定的波段、入射角度和偏振時,才能夠在光子晶體內(nèi)部傳播。
利用光子晶體的空間濾波特性,以及徑向和角向偏振光束在強聚焦下的特殊場分布,提出并設(shè)計了利用光子晶體中缺陷模式和帶邊模式產(chǎn)生零階和一階消逝貝塞爾光束的兩種裝置。在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下,僅通過調(diào)整入射場的偏振態(tài)為徑向或角向,就可獲得不同階次的消逝貝塞爾光束。
本論文的創(chuàng)新點主要包括:
1.提
13、出并設(shè)計了可用于調(diào)控納米尺度發(fā)光體輻射光場的阿基米德螺旋型光學發(fā)射天線。通過將受激點源與螺旋天線相耦合,能夠獲得方向性極好的圓偏振渦旋光束;改變螺旋結(jié)構(gòu)的螺距,以及激發(fā)點源的位置,可以對出射光子的軌道角動量和出射方向進行有效的控制。并用實驗進行了驗證,獲得了方向性為11.4dB,圓偏振的消光比約為10的熒光場,與理論計算相符合。
2.根據(jù)螺旋式光學接收天線的聚焦特性,提出并設(shè)計了可用于陣列光刻加工的表面等離子體探針。探針采
14、用雙層螺旋以及復合型針尖的設(shè)計,能夠獲得極高的局域場增強和圓偏振消光比,數(shù)值模擬的結(jié)果表明,針尖處可獲得的最高場增強因子為366,相對應(yīng)的消光比為81。通過改變?nèi)肷鋱A偏振光的手性,每個探針上的熱點開關(guān)狀態(tài)都可得到控制,適用于復雜結(jié)構(gòu)的大面積光刻。
3.基于徑向和角向偏振光在強聚焦下的特性和一維光子晶體的空間濾波特性,提出了產(chǎn)生零階和一階消逝貝塞爾光束的設(shè)計。數(shù)值計算結(jié)果表明,當結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生增強的零階消逝貝塞爾光束作用于金顆
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