基于LSPR受激辐射放大的金属—介质纳米激光器及其特性研究

摘要

在金属—介质纳米系统中，适量的将增益材料掺杂入介质中，可以有效的对金属LSPR的能量损耗进行补偿并进一步形成LSPR的放大输出，即表面等离子体受激辐射放大（Surface Plasmon（SP）Amplification by Stimulated Emission of Radiation，SPASER），并使金属—介质纳米系统的光学吸收和散射特性得到极大程度上的改变。
　　由于金属—介质纳米系统SPASER在光学特性上具备强烈的能量增强与散射特性，将其应用于纳米激光器方面的相关研究已经越来越得到人们的重视，不同结构的SPASER系统也已经得到了理论上的提出与实验上的证实，但是对于SPASER系统的改进与性能提高仍为目前的研究热点。
　　在本文中，我们提出了几种不同的金属—介质SPASER纳米系统并对其进行了细致的理论模拟与分析，同时也探讨了将SPASER纳米天线用于表面拉曼增强散射（SERS）的有效单分子探测中。因此，本文共分为五章对其进行了详细讨论。
　　第一章，介绍了金属—介质纳米系统 SPASER的提出以及 SPASER原理的基本物理机理，并详细描述了最近关于它们的研究进展、理论和实验上所提出的相关结构及其 LSPR受激辐射放大后的光学辐射特征等，并介绍了国内外研究的方法。并且给出了本论文的主要研究内容。
　　第二章，提出了二氧化硅—金—二氧化硅三层纳米壳SPASER结构并详细分析了其光学特性。我们发现，当在二氧化硅中掺杂入适量的增益材料以建立起稳定运作的SPASER时，其光学吸收和散射特性发生了相对于非SPASER来说明显的变化；尤其是其散射截面得到了5—6个数量级的增强。同时，进一步改变其结构参数，其光学特性也可以继续进行调整，散射的增强特性也得到了进一步的提高。我们从表面等离子体杂化理论，淬灭效应和SPASER机制出发，分别对这些现象进行了解释。
　　第三章，改进了第二章所提出的三层纳米壳SPASER结构，使其二氧化硅内核具有一定的偏心度，从而实现了多波长的LSPR受激辐射放大输出，也即实现了多波长纳米激光器。此外，我们也研究了入射激发光的偏振对其输出特性的影响，我们发现，在仅改变入射光偏振而不对其结构参数进行调整时，便可以在一定范围内控制其输出波长以及输出强度。
　　第四章，提出了领结型SPASER纳米天线结构，并证实了其LSPR受激辐射放大所产生的高局域电场增强可以有效的应用于SERS单分子探测中。我们发现，领结型纳米天线所具有将“热点”区域和“尖端效应”相结合的优势，将SPASER机制引入该系统后，不仅可以进一步放大原有的LSPR增强效应，更可以在整个表面均形成较强电场强度的覆盖现象，因此，将领结型SPASER纳米天线应用于SERS单分子探测中具有广泛的应用前景。
　　第五章，对前文所做工作进行了总结，并对其潜在应用做出了展望。
　　总之，本文提出的金属-介质SPASER系统及对它们的理论分析为金属-介质系统的纳米激光器和纳米光学天线的设计、制造和应用提供了理论依据，同时对研究和探索其中的LSPR受激辐射放大特性也具有一定的借鉴意义。

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目录

1绪论

1.1课题背景

1.2 SPASER原理

1.3目前SPASER的研究进展

1.4研究方法

1.5本文的研究内容和创新点

2三层纳米壳结构的表面等离子体放大特性

2.1引言

2.2模型和理论

2.3结果和讨论

2.4本章小结

3非中心对阵层状纳米壳SPASER天线的多波长散射特性

3.1引言

3.2模型和理论

3.3模拟结果和讨论

3.4本章小结

4领结型SPASER纳米天线的表面拉曼增强单分子探测

4.1引言

4.2模型和理论

4.3结果和讨论

4.4本章小结

5总结与展望

5.1对已完成工作的总结

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢