基于孔径阵列的表面等离激元传输特性的研究

摘要

光的异常透射现象的发现激发了人们对表面等离激元的研究兴趣。表面等离激元是一种局限于金属和介质界面附近并沿着界面传播的电磁波。表面等离激元的激发强烈地依赖于金属材料和微结构特性，通过制作合适的金属微结构可实现异常透射、定向传输、完美吸收等光学现象。这使得表面等离激元在纳米调控、光伏转换和生物传感等方面都具有潜在的应用。 本文主要利用孔径阵列激发表面等离激元，通过控制孔径阵列的空间分布开展表面等离激元传输特性的研究。通常纳米结构操控表面等离激元的传播的研究包括表面等离激元聚焦、表面等离激元定向发射以及表面等离激元分束等内容。在等离激元聚焦的研究中，线偏振光、圆偏振光和径向偏振光是常采用的照明光束。径向偏振光照明下的微结构相对较为简单，但相对于空间偏振均匀分布的线偏振光、圆偏振光在实际实验研究中不易精确定位。线偏振光和圆偏振光使用较为方便，但简单的纳米结构往往聚焦效率较低，而复杂的结构又不易推广。因此设计简单的纳米结构，在线偏振光照明下获得聚焦效率高、焦斑小且便于集成使用的表面等离激元聚焦具有实际意义。 表面等离聚焦的实现离不开SPPs在表面的传播与会聚。在研究SPPs在表面的传播规律时，周期的纳米孔是经常被选择的微结构。周期纳米孔通常被刻蚀在如金和银等能够激发表面等离激元的金属膜上，且大多数的研究更多集中在近红外和红外光波段，可见光波段的研究一直比较少。此外，材料的影响对表面等离激元的激发和传播影响以及表面等离激元传输的偏振依赖性也需要深入讨论，为此本文提出了基于孔径阵列的表面等离激元传输特性的研究。 本论文的研究包括以下五个方面的内容： 1.第一章是论文的绪论部分。绪论中首先介绍了表面等离激元的研究背景以及论文将要开展的研究工作。简要介绍了表面等离激元的基本特性，并在波动方程的基础上推导了表面等离激元的色散关系以及表面等离激元传输时的特征长度。列举了几种常见的激发表面等离激元的方法，包括棱镜耦合法、光栅耦合法和强聚焦光束法。绪论的最后给出了本论文中用到的几种金属的光学参数。这些内容为后面论文研究工作的开展提供理论基础和相关依据。 2.第二章介绍了激发表面等离激元的一些常见的纳米结构，包括金属纳米颗粒结构、金属介质多层纳米结构和纳米薄膜上的孔洞结构等，并分析了这些纳米结构激发的表面等离激元的物理机理和传输特性。利用不同的纳米结构可实现表面等离激元的聚焦、折射和反射等表面波传输现象。本章也阐述了直写成型技术、纳米压印技术、电子束刻蚀技术、离子束刻蚀技术等多种金属纳米结构的制作方法。本论文的纳米结构样品主要采用聚焦离子束刻蚀技术完成。 3.第三章提出了基于矩形孔的表面等离透镜的研究。首先通过表面等离激元透镜的研究背景的分析指出了现有表面等离透镜的问题，为实现聚焦效率高、焦距短、结构超薄的表面等离透镜，提出了基于矩形孔阵列的线状表面等离激元透镜的设计方法。该透镜仅由11个矩形孔组成，通过简单调节矩形孔的位置和转角实现高效的单焦点聚焦。在此基础上，本文又提出了等焦距和不等焦距的双焦点的表面等离透镜，并依据波带板的原理提出了改良版的表面等离透镜使透镜的的光学性能得到改善。本文提出的表面等离透镜具有聚焦效率高、结构简单、厚度薄、数值孔径大的优点。 4.第四章开展了周期纳米孔的近场表面自成像效应的研究。利用周期的纳米孔阵列可实现表面等离激元的聚焦和表面等离激元的耦合传输。纳米孔阵列的周期较大时也表现明显的衍射现象。因此表面等离激元在沿金属和介质界面传输的过程中，由于来自不同孔的衍射干涉可呈现光栅的泰伯效应。在现有的表面等离激元泰伯效应的研究基础上，本文为实现可见光范围内的孔阵列的自成像并探究材料和入射偏振态对孔阵列自成像的影响提出了周期纳米孔的近场表面自成像效应的研究。利用数值模拟研究金属材料和入射偏振态对表面泰伯效应的影响，借助于偶极子模型理论分析表面泰伯效应的偏振依赖性。实验上制作了纳米孔微结构，利用显微放大法对纳米孔微结构的近场衍射进行了实验测量，证实了理论和模拟的研究结果。 5.第五章为论文的总结和展望。对已开展的研究工作进行了全面的总结，并就接下来要开展的研究工作和拟获得的研究结果进行预测。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2.1表面等离激元的色散关系

1.2.2 表面等离激元特征长度

1.3表面等离激元的激发方式

1.3.1 棱镜耦合激发表面等离激元

1.3.2光栅耦合激发表面等离激元

1.3.3 利用强聚焦光束激发表面等离激元

1.4贵金属材料的光学特性

1.5 本论文的主要工作

第二章 激发表面等离激元的纳米结构及其制作方法

2.1 激发表面等离激元的纳米结构

2.1.1 金属纳米线和金属纳米颗粒

2.1.2薄膜上的介质纳米结构

2.1.3 孔洞或凹槽纳米结构

2.2 纳米结构的制作技术

2.2.1 直写成型技术

2.2.2 光学刻蚀技术

2.2.3纳米压印技术

2.2.4离子束刻蚀技术

第三章 基于矩形孔的表面等离透镜的研究

3.1表面等离透镜的研究背景

3.2表面等离透镜的设计原理

3.3 双焦点的表面等离透镜

3.4修正的表面等离透镜

3.5 小结

周期纳米孔的近场表面自成像效应的研究

4.1周期孔阵列衍射的研究背景

4.2 金属材料对表面泰伯像的影响

4.3 入射偏振态对表面自成像的影响

4.4 实验测量

4.4小结

第五章 总结与展望

5.1本论文的主要工作

第五章为论文的总结和展望。对已开展的研究工作进行了全面的总结，并就接下来要开展的研究工作和拟获得的研

5.2下一步的工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢