非周期金属纳米缝-槽结构的透射特性研究

摘要

近年来,表面等离子体光学成为世界范围的研究热点。利用金属-介质界面上所激发的表面等离子体激元可以沿界面传播和高度局域在金属表面的特性,通过在金属上做纳米结构的手段,可以达到在纳米尺度上操纵和控制光子的目的。这种金属纳米器件相比于传统光子学器件具有体积小、集成度高、速度快等优点,在光辐射、光探测、光传感、光成像、生物医学、太阳能电池,以及表面增强拉曼光谱等多方面发挥了很大的作用并有着广泛的应用前景。因此,深入探寻表面等离子体波与金属结构的相互作用以及设计开发多功能的纳米器件成为表面等离子体光学研究的主要方向。金属表面等离子体纳米结构的主要特征现象之一为光的透射增强现象,目前一般认为表面等离子体激元的激发是其主要原因,但其准确的物理机制还存有争论。
　　本论文利用自主编写的时域有限差分的计算程序,研究了由金属狭缝以及金属凹槽构成的多种非周期纳米结构的透射性质。由于狭缝与凹槽结构的简单性,有利于我们对其物理机制的研究,并通过合理的设计,达到了不同的透射效果。具体内容如下:
　　研究了由简单单缝和正方漏斗形单缝所组成的非对称金属纳米双缝结构在透射面上的干涉效应。与传统对称杨氏双缝相比,在透射面上观察到了两种不同类型的干涉条纹图案,并且其近场透射能量得到了大幅提高,达到相应对称双缝结构的3倍。不同类型的干涉条纹可以通过变化出口层的厚度进行灵活地调节。通过对干涉条纹的拟合,得到了两个不同狭缝各自激起的表面等离子波和准柱面波的振幅和相位。发现即使在金属与介质的界面存在拐角,表面等离子体波依然会沿其界面爬行。同时发现直接透过光与激起的表面等离子体波之间存在一个π的相位改变,并对各种现象作出了仔细的分析及合适的解释。
　　研究了与收集腔耦合的对称金属纳米双缝的近场干涉性质。在出口面上观察到了不同类型的干涉条纹,并且干涉条纹的强度峰值比无收集腔出现时的传统双缝提高了一倍。通过与简单单缝对比,说明了对称双缝与收集器各自的共振状态,并详细分析了各自的共振状态与两者间发生耦合效应强弱的关系。研究发现当双缝共振时,将与收集腔发生相长耦合,透射能量达到最大值。提出了灵活调控近场干涉条纹的新方法。
　　研究了光通过带有凹槽缺陷的水平纳米天线与垂直金属纳米狭缝耦合后的透射性质。通过变换金属天线中凹槽的深度或位置,其整体光学透射率可以实现从0到出现透射增强现象的很大范围内的调节。带有凹槽缺陷的水平纳米天线与垂直金属纳米狭缝的入口面之间形成了一个窄的水平腔。发现当凹槽和垂直纳米狭缝的共振状态相同时,对水平腔中的模式分布有相类似的影响,并且整体结构的透射率极值可通过三个不同位置处的磁场极值组合来预测。指出了调控耦合输出的新方法。
　　研究了在两种不同偏振(S偏振和 P偏振)入射下,金属狭缝与两侧周期性凹槽结构的透射性质。通过在整个结构上方覆盖一薄介质层的方法,使原本无透射增强现象的 S偏振光也达到了透射增强的效果。并且通过仔细调节结构参数,实现了在同一波长下两种不同偏振的同时透射增强效果。分析了两种不同偏振下透射增强的不同物理机制:对于 S偏振入射情况,上方介质薄层可被看为中间一个水平腔,两侧各围绕着一个布拉格镜,这时是介质波导模的局域造成了透射增强;而对 P偏振入射情况,是表面等离子体波的存在造成了透射增强现象,当表面等离子体波在每个周期及中间腔中同时发生共振时,透射率达到最大值。此工作为实现不依赖偏振的微纳器件设计提供了新思路。
　　提出了一种同时具有小的传感体积,超高输出,高分辨,高敏感度特性的纳米传感器的设计方案。这种传感器由中间一个纳米狭缝两侧围绕周期性凹槽所构成。这种折射率传感器在宽谱范围内仅出现一个共振峰,通过对这一共振峰的监测,实现了对大范围折射率变化的物质进行传感的功能。发现这种传感器的共振波长随被分析物质的折射率变化呈完美的线性变化。提出了基于多光束干涉的理论模型,很好地预测了这种传感器的光学响应。其灵敏度与凹槽周期近似相等,通过增加凹槽的周期,灵敏度还能进一步提高,并且通过增加凹槽的个数,超高输出和高分辨率能同时得到。

目录

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第1章 绪 论

1.1 表面等离子体光学的诞生

1.2 表面等离子体激元的基本理论

1.2.1 表面等离子体激元的色散关系

1.2.2 表面等离子体激元的四个特征长度

1.2.3 表面等离子体激元的激发方式

1.3 对称金属包覆介质波导的传输性质

1.3.1 TM0模的传输性质

1.3.2 TM1模的传输性质

1.4 亚波长金属纳米结构的研究进展

1.4.1 周期性金属阵列的透射性质

1.4.2 单个金属小孔或狭缝的透射性质

1.4.3 新颖现象及应用

1.4.4 亚波长金属纳米结构的探测手段

1.5 常用的模拟计算方法

1.6 本文的主要研究内容

第2章 含正方漏斗形单缝的非对称金属纳米双缝的近场干涉效应

2.1 引言

2.2 FDTD计算方法简介

2.2.1 二维FDTD差分方程

2.2.2 引入金属的方法

2.2.3 非周期结构计算中对激励源的设置

2.3 亚波长金属单缝的透射性质

2.4 非对称双缝结构及相关理论

2.4.1 采用结构

2.4.2 相关理论

2.5 计算结果及分析

2.5.1 出口面上干涉条纹的计算及拟合

2.5.2 对拟合结果的分析

2.6 本章小结

第3章 金属纳米双缝与收集腔耦合后的透射性质

3.1 引言

3.2 采用结构及参数说明

3.3 计算结果及讨论

3.3.1 不同类型的干涉条纹

3.3.2 收集腔的耦合效应

3.3.3 对耦合效应的分析

3.4 本章小结

第4章 与带有缺陷的水平腔耦合的金属纳米狭缝的透射性质

4.1 引言

4.2 采用结构及参数说明

4.3 凹槽和狭缝对水平腔中磁场分布的影响

4.3.1 凹槽对水平腔中磁场分布的影响

4.3.2 垂直狭缝对水平腔中磁场分布的影响

4.4 与带有缺陷的水平腔耦合的狭缝的透射性质

4.4.1 凹槽深度及位置对透射效率的影响

4.4.2 透射效率极值时的模式分布

4.4.3 对透射效率的预测

4.5 本章小结

第5章 与偏振无关的亚波长金属狭缝的透射增强现象

5.1 引言

5.2 采用结构及参数说明

5.3 结构尺度对透射性质的影响

5.3.1 金属层厚度对透射谱的影响

5.3.2 凹槽周期对共振波长的影响

5.3.3 缝宽及缝-槽间距对透射能量的影响

5.4 不同偏振同波长下的超强透射

5.5 不同偏振透射增强的物理机制

5.6 本章小结

第6章 基于多个表面等离子体波相互干涉的宽带纳米传感器

6.1 引言

6.2 传感器的结构说明

6.3 多个表面等离子体波干涉的理论模型

6.4 光学性能分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历