周期性金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子激元器件的研究.pdf

1、表面等離子激元是一種表面波，其本質(zhì)是金屬與介質(zhì)分界面上光與自由電子之間相互作用而引起的電磁振蕩，具有近場增強(qiáng)、亞波長局域和聚焦、超分辨成像等特性，這些特性使其在高靈敏度傳感、亞波長波導(dǎo)、高分辨率光學(xué)顯微鏡、納米光刻、超材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著微納理論研究的深入及加工技術(shù)的進(jìn)步，表面等離子激元器件異常的光學(xué)特性及其巨大的應(yīng)用潛力已經(jīng)成為當(dāng)前光子學(xué)中最富有科學(xué)意義與開發(fā)價值的研究領(lǐng)域之一。
　　本論文以金屬光柵和金屬納米孔陣

2、列為基礎(chǔ)，旨在探索表面等離子激元在復(fù)雜金屬納米結(jié)構(gòu)異常光學(xué)特性中所起的作用，應(yīng)用時域有限差分法和有限元法，針對金屬光柵結(jié)構(gòu)的異常透射現(xiàn)象、利用納米結(jié)構(gòu)提高表面等離子共振傳感器的性能及基于金屬納米孔和環(huán)孔陣列的傳感器件設(shè)計等方面進(jìn)行了研究。論文的主要工作如下:
　　首先，為了研究表面等離子激元在金屬光柵結(jié)構(gòu)的異常透射現(xiàn)象中所起的作用，我們設(shè)計了四種微納光柵結(jié)構(gòu)，揭示了它們所呈現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象的物理機(jī)制。從無基底金屬光柵結(jié)構(gòu)入手，解釋了該

3、結(jié)構(gòu)透射最小值和最大值產(chǎn)生的原因;設(shè)計了一種非線性橢圓墻金屬光柵結(jié)構(gòu)，揭示了該結(jié)構(gòu)中非共振寬帶異常透射現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，該結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計可見光波段的寬帶寬和高消光比的偏振器件;研究了金屬光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)透射譜中的多個透射最小值和最大值與波導(dǎo)層厚度有關(guān)，分析了這些共振峰出現(xiàn)的原因，并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中的窄帶高吸收峰是由于三種共振模式同時激發(fā)而產(chǎn)生的;在單層金屬光柵的基礎(chǔ)上，研究了一種非對稱雙層金屬光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，分析了該結(jié)構(gòu)兩個透射最小值出現(xiàn)的原

4、因，發(fā)現(xiàn)改變金屬層厚度可以調(diào)節(jié)透射最小值的位置和提高透射最小值角度容忍度，該結(jié)構(gòu)可用于雙波長窄帶濾波器的設(shè)計。這些金屬光柵結(jié)構(gòu)異常透射現(xiàn)象的研究對于光電子器件的小型化和集成化具有指導(dǎo)意義。
　　第二，在利用納米結(jié)構(gòu)來提高表面等離子共振傳感器的性能方面，為了提高傳統(tǒng)表面等離子共振傳感器檢測的線性度和靈敏度，我們設(shè)計了兩種納米結(jié)構(gòu)與金屬層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)是將納米光柵結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)SPR傳感器結(jié)合，該結(jié)構(gòu)的反射譜中產(chǎn)生兩個最小值，當(dāng)兩個

5、結(jié)構(gòu)之間的納米通道作為傳感區(qū)時，兩個最小值對傳感區(qū)折射率的響應(yīng)成非線性互補(bǔ)變化，從而實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對折射率高靈敏度且線性測量;另一種傳感結(jié)構(gòu)是通過將金屬納米線嵌入到聚合物層來增強(qiáng)傳統(tǒng)SPR的靈敏度，研究發(fā)現(xiàn)盡管金屬納米線與金屬層之間的耦合強(qiáng)度不會影響結(jié)構(gòu)的靈敏度，但金屬納米線結(jié)構(gòu)的局域增強(qiáng)效應(yīng)將較強(qiáng)的電磁場能量傳遞到與待測物相互作用的分界面，增強(qiáng)了該結(jié)構(gòu)與待測物的相互作用，從而提高了傳感器的靈敏度。該研究對于提高表面等離子共振傳感器的性能具

6、有重要的意義。
　　第三，利用納米結(jié)構(gòu)中不同等離子模式之間的耦合，在金屬納米孔傳感器設(shè)計的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了三種高靈敏度和品質(zhì)因素的納米結(jié)構(gòu)傳感器。從納米孔陣列傳感器的設(shè)計入手，研究了入射角和方位角的改變會引起表面等離子模式分裂，增加入射角可以顯著降低表面等離子模式在介質(zhì)中的穿透深度，從而提高結(jié)構(gòu)的表面靈敏度和降低檢測極限。利用納米結(jié)構(gòu)中不同等離子模式之間的耦合設(shè)計了三種納米環(huán)孔陣列傳感器:對稱性介質(zhì)基底環(huán)孔陣列、非對稱性金屬層基