基于光柵結(jié)構(gòu)的等離子體復(fù)合器件的特性及應(yīng)用研究.pdf

1、近些年來，表面等離子體器件已經(jīng)成為學術(shù)研究的一個重要研究方向和熱點。這種等離子器件在光場調(diào)控、生物傳感和光學緩存等方面有著重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的表面等離子體的激發(fā)方式如棱鏡耦合、波導(dǎo)耦合、近場激發(fā)等都有著許多不足之處，阻礙了其在光學方面的發(fā)展和應(yīng)用。而光柵耦合的方式，由于其結(jié)構(gòu)尺寸小、易集成、可精確設(shè)計控制等，逐漸成為復(fù)合型等離子器件的最佳選擇。本文根據(jù)等離子體相關(guān)理論并借助FDTD數(shù)值仿真方法重點研究基于光柵的等離子體復(fù)合器件的相關(guān)特

2、性及應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)提出了一種基于金屬光柵陣列的多光譜、空間選擇性的等離子體傳感器。通過適當?shù)卣{(diào)整金屬光柵陣列的幾何參數(shù)，可以選擇性地在結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域激發(fā)相應(yīng)的等離子體模式來得到增強的光場。模擬結(jié)果顯示，這些共振模式可以同時在結(jié)構(gòu)的不同空間位置及不同波長下實現(xiàn)。當生物分子薄膜吸附在光柵內(nèi)壁時，共振峰有相對大的紅移(57nm)，相應(yīng)的強度差也比在金屬表面增強近10倍。此外，當單層BSA蛋白分子吸附在光柵內(nèi)壁時，通

3、過調(diào)整內(nèi)壁寬度可以得到超過80nm的移動。這些結(jié)果表明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以作為具有空間和頻譜選擇特性的生物傳感器。
　　(2)設(shè)計了一種基于增益補償作用的金屬光柵高效折射率傳感器。通過分析發(fā)現(xiàn)金屬歐姆損失效應(yīng)阻礙了納米光柵陣列EOT效率的提高。為了補償金屬的固有損耗，提出了將金屬結(jié)構(gòu)嵌入摻有非線性活性增益物質(zhì)的媒介中。當增益效率達到相應(yīng)的閾值時，共振峰λ2對應(yīng)的品質(zhì)因素FOM*可以達到39100。這種對環(huán)境折射率變化具有超高靈敏度的增

4、益光柵結(jié)構(gòu)將在生物醫(yī)學及環(huán)境探測等方面有廣闊的應(yīng)用。
　　(3)提出了一種基于介質(zhì)光柵的新型石墨烯等離子體系統(tǒng)。文中系統(tǒng)地研究了石墨烯-漸進硅光柵結(jié)構(gòu)上SPP的局域效應(yīng)與光學特性。理論及數(shù)值結(jié)果表明，在一個寬帶范圍內(nèi)，不同頻率的SPP波將被局域在石墨烯表面的不同位置，可以應(yīng)用為寬帶光譜儀?；诖死碚摚A(yù)測了不同頻率SPP波在結(jié)構(gòu)表面的局域位置及相應(yīng)的群速度。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)柵壓，局域的SPP波可以被釋放并繼續(xù)在石墨烯表面?zhèn)鞑セ驈慕Y(jié)構(gòu)