金屬納米周期結(jié)構(gòu)表面等離子體及光學(xué)性能調(diào)控研究.pdf

1、表面等離子體激元(Surface plasmon polarization，SPPs)或稱(chēng)表面等離子體(Surface plasmon，SPs)是由金屬表面自由電子和光子相互作用形成的倏逝波?；诒砻娴入x子體的各種納米光子器件被認(rèn)為是當(dāng)今最有希望實(shí)現(xiàn)納米全光集成回路的基礎(chǔ)。亞波長(zhǎng)金屬納米結(jié)構(gòu)是激發(fā)和控制表面等離子體的主要結(jié)構(gòu)，有效激發(fā)表面等離子體的金屬納米光子器件不僅能改善傳統(tǒng)器件的性能，而且會(huì)產(chǎn)生一些新奇的物理現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)新的器件功能。

2、
　　 本文采用時(shí)域有限差分法(FDTD)，結(jié)合表面等離子體亞波長(zhǎng)光學(xué)及電磁場(chǎng)相關(guān)理論，研究了金屬周期性納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，通過(guò)構(gòu)造不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析表面等離子體共振的基本調(diào)控機(jī)制和物理機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象，豐富了亞波長(zhǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)手段，并探索可能產(chǎn)生的新應(yīng)用。本論文主要研究工作如下:
　　 1、研究了由兩層金薄膜上打有周期性傾斜狹縫陣列的亞波長(zhǎng)金屬周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及表面等離子體特性。比較了兩層狹縫同軸和不同軸

3、（即狹縫間有側(cè)向位移）兩種情況的光學(xué)性能的異同，分析了雙層亞波長(zhǎng)金屬狹縫陣列的兩種不同透射共振模式（表面等離子體共振模和局域波導(dǎo)共振模式），分別通過(guò)改變傾斜狹縫的側(cè)向位移、薄膜間距、薄膜厚度、狹縫寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)考察此結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能及表面等離子體激元耦合情況的變化。隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，兩種模式的共振峰變化規(guī)律不同，分別出現(xiàn)藍(lán)移、紅移、分裂、合并、增強(qiáng)、衰減等現(xiàn)象。模擬結(jié)果可以為設(shè)計(jì)金屬狹縫光學(xué)器件及掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等光學(xué)器件提供理論指

4、導(dǎo)。
　　 2、探討了亞波長(zhǎng)金屬周期性矩形狹縫陣列-薄膜體系和傾斜狹縫陣列-薄膜體系的表面等離子體及光學(xué)性能。與單層周期性亞波長(zhǎng)矩形狹縫比較，矩形狹縫陣列-薄膜體系出現(xiàn)了更多的透射峰，同時(shí)，在這些透射峰之間透射極小，幾乎全部是光學(xué)禁帶，證明組合系統(tǒng)比單一的打孔薄膜擁有更優(yōu)秀的濾波和頻率選擇特征。此結(jié)果可以考慮做為光學(xué)濾波器、選頻器件方面的應(yīng)用。比較了單層傾斜狹縫陣列和傾斜狹縫陣列-薄膜體系的光學(xué)特性，分析了各種結(jié)構(gòu)因子對(duì)此類(lèi)型復(fù)

5、合結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的調(diào)控作用。結(jié)果表明復(fù)合體系要比單一納米結(jié)構(gòu)具有更多的等離子體模式，且復(fù)合結(jié)構(gòu)體系比單一結(jié)構(gòu)具有更多的可調(diào)控因子，便于人們對(duì)電磁波進(jìn)行操控。
　　 3、分析了金屬納米粒子陣列的光學(xué)及表面等離子體特性。在共軸納米球殼陣列中，對(duì)不同球殼厚度、球殼尺寸和粒子間距下進(jìn)行理論計(jì)算，并且給出了不同共振峰的場(chǎng)分布模式，發(fā)現(xiàn)低能量峰主要起源于球等離子體耦合，而高能量峰來(lái)源于球和腔兩者的等離子體耦合。寬光子禁帶的出現(xiàn)以及近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)

6、可以用來(lái)設(shè)計(jì)帶寬濾通器及生物傳感器等。研究了非同軸的金納米管陣列，發(fā)現(xiàn)非同軸金納米管陣列的光學(xué)特性能夠被中心偏移值、管的尺寸、管間距離和納米管厚度所調(diào)制。另外，基于瞬時(shí)電場(chǎng)分布模式討論了納米管陣列的等離子體激元共振的多極性質(zhì)。研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)新型光子器件有重要的指導(dǎo)作用。
　　 4、研究了含介質(zhì)的金納米球殼陣列及含缺陷的金納米管陣列。發(fā)現(xiàn)核介電常數(shù)ε1、周?chē)h(huán)境介電常數(shù)￡2的增加導(dǎo)致透射譜的紅移。利用金屬納米粒子對(duì)周?chē)橘|(zhì)環(huán)境高