基于表面等离激元干涉的金属微纳结构设计和光学特性研究

摘要

近年来，随着集成光学和微纳加工技术的不断发展，表面等离激元技术得到了研究者的广泛重视和关注。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，简记为SPPs)是入射光波与金属表面的自由电子发生作用从而形成的一种电磁波模式，它凭借表面局域特性、波长短和超强透射的优势，为解决集成光学中突破衍射极限问题开辟了重要途径。在此背景下，本文设计并提出了两种基于表面等离激元干涉的金属微纳结构，并且通过模拟仿真探究了两种结构中光波的干涉效应和工作机理，具体包括:
　　设计提出了一个基于非对称圆环结构的干涉型表面等离激元传感器，由一个非对称圆环-纳米小孔的金属结构组成，半圆环形凹槽分别对应两个不同臂长的干涉臂，从而构成双干涉臂、三光束干涉的传感结构。通过仿真得到不同臂长、凹槽数量的结构参数下干涉谱线变化的特性，并且探究了该结构的折射率传感能力。理论计算结果和仿真结果的基本吻合验证了非对称圆环中干涉效应和传感工作原理。该传感器结构简单、紧凑、可控，具有较高的对比度和较窄的线宽。
　　在非对称圆环结构的基础上，设计了一种基于马增干涉的表面等离激元传感器，由一个金属-介质-金属多层膜上的半环狭缝-小孔结构构成。仿真计算了该结构的干涉谱线，探究了SPP传播路径长度和中心层厚度对干涉谱的调控和影响原理。仿真结果显示了该结构的透过谱呈现宽带范围内的振荡行为，对应干涉相长和相消，验证了干涉效应的工作机理。基于这样的工作原理，继续探究并验证了该结构的折射率传感性能。另外，由于此结构的入射光在结构的背面入射，因此可以规避入射光对干涉结果的影响。同样，仿真结果显示了该结构在简单经济，高效紧凑的生化传感领域有着一定的参考价值和潜在应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 表面等离激元的基本理论

1．1．1 表面等离激元的定义和分类

1．1．2 表面等离激元的基本性质

1．1．3 表面等离激元的激发方式

1．2 表面等离激元的研究现状

1．3 本课题的研究内容和意义

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究目的和意义

1．3．3 研究主要内容

第2章 表面等离激元的研究分析方法

2．1 主要数值计算方法简介

2．2 时域有限差分方法基本原理

2．2．1 麦克斯韦方程组的差分离散

2．2．2 数值稳定性分析

2．2．3 吸收边界条件

2．2．4 网格划分

2．3 光学模拟仿真软件

2．4 本章小结

第3章 基于非对称圆环结构的干涉型表面等离激元传感器

3．1 前言

3．2 结构模型和仿真

3．3 结构参数对干涉谱的影响

3．3．1 非对称圆环结构的臂长射其干涉谱的影响

3．3．2 传感器结构的凹槽数量对其干涉谱的影响

3．3．3 与单臂半圆环结构干涉特性的比较和讨论

3．4 折射率传感性能

3．5 本章小结

第4章 基于马增干涉的MIM型表面等离激元传感器

4．1 前言

4．2 结构模型和仿真

4．3 结构参数对干涉谱的影响

4．3．1 半圆环MIM结构的臂长对其干涉谱的影响

4．3．2 半圆环MIM结构的中心介质层厚度对其干涉谱的影响

4．3．3 关于结构特性的讨论

4．4 折射率传感性能

4．5 本章小结

第5章 结束语

5．1 本文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢