利用高阶高斯光束实现表面等离激元非对称激发的研究

摘要

单向性好、激发效率高的SPP源在纳米光子集成和纳米测量方面都有重要的应用需求。本论文研究高阶模厄米高斯光束与金属薄膜上的纳米狭缝、狭缝对和纳米孔对阵列等结构的相互作用规律，发展了非对称SPP激发的新方法。由于高阶厄米高斯光场在暗线两侧具有冗位相跃变和大的光强梯度，它和对称纳米结构发生错位耦合时将会激发出非对称的SPP。通过理论分析，分别给出了金属薄膜上的纳米狭缝、狭缝对和纳米孔对阵列结构的SPP激发模型。时域有限差分法(FDTD)模拟和理论分析都显示，在亚波长错位耦合的情况下，金属狭缝阵列结构可以获得更为显著的非对称SPP激发。进一步，我们利用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法分别加工了各种纳米结构，并利用泄露辐射显微成像的方法验证了上述的理论分析和数值计算结果。实验结果验证了高阶厄米高斯光场与金属狭缝之间相互作用非对称激发SPP的效应，同时也证明了这种非对称激发效应的动态可调特性。利用高阶高斯光束与金属狭缝阵列结构实现了动态调控SPP的激发方向，在探测亚波长位移上提供了一种新的方法，这在纳米测量技术等领域有着重要应用价值。
　　本文主要包括以下几方面的内容:
　　(1)研究了一阶模厄米高斯光光强和相位分布不连续性的特性。使用时域有限差分法对一阶模厄米高斯光束进行数值模拟，并在实验上使用径向光偏振片和线偏振片结合生成了HG10模的高斯光。
　　(2)对比已有的非对称SPP激发方法，提出了一种基于金属狭缝结构的理论模型，实现了动态调控SPP的非对称激发。进一步提出金属双狭缝阵列模型，实现了更为显著的非对称SPP激发。结合SPP干涉和偶极子相互作用的原理，对金属狭缝模型和金属狭缝阵列模型进行了理论分析。使用FDTD模拟了金属狭缝模型和金属狭缝阵列模型的近场分布和远场分布，验证了非对称激发SPP和动态调控散射场方向和分束比的物理过程。
　　(3)采用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在50nm厚的银膜上制备了金属狭缝阵列结构。使用泄露辐射成像系统对非对称激发效应进行了实验验证，实验结果验证了高阶厄米高斯光场与金属狭缝之间相互作用非对称激发SPP的效应，同时也证明了这种非对称激发效应的动态可调特性。
　　本论文的创新点主要包括:
　　(1)首次提出使用高阶厄米高斯光束作为入射光，聚焦入射在金属狭缝结构和金属狭缝阵列结构上，通过调控高阶厄米高斯光奇异暗线与结构的相对位置，实现了非对称激发SPP效应。
　　(2)将动态调控SPP的传输方向及散射分束比与纳米尺度位置的微小位移结合。通过控制HG10光束奇异暗线与金属狭缝阵列结构相对位置的改变，实现了SPP非对称激发的分束比逐渐增大。这在纳米测量技术及纳米尺度位移传感器等方面具有重要的应用需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 表面等离子体概述

1．2．1 表面等离子体的色散关系

1．2．2 表面等离子体的激发方式

1．3 表面等离子体非对称激发概述

1．3．1 不对称微纳结构非对称激发SPP

1．3．2 入射光偏振不对称非对称激发SPP

1．4 本文的主要研究内容及章节安排

参考文献

第2章 高阶模厄米高斯光分析与产生

2．1 高阶厄米高斯光束的数学描述

2．2 高阶厄米高斯光束的数值模拟

2．2．1 FDTD原理介绍

2．2．2 FDTD模拟一阶模厄米高斯光束

2．3 高阶厄米高斯光束的产生方法

2．3．1 径向偏振光的生成

2．3．2 一阶模厄米高斯光束的生成

2．4 本章小结

参考文献

第3章 高阶高斯光束与金属狭缝阵列结构理论研究

3．1．1 单狭缝模型的理论分析

3．1．2 FDTD模拟单狭缝模型的远场分布

3．2 金属双狭缝结构的SPP激发

3．2．1 金属双狭缝结构的理论分析

3．2．2 FDTD模拟双狭缝模型的远场分布

3．2．3 FDTD模拟双狭缝模型的近场分布

3．3 金属狭缝阵列结构非对称激发SPP

3．3．1 基于偶极子理论的金属狭缝阵列结构

3．3．2 FDTD模拟金属狭缝阵列结构的远场分布

3．3．3 FDTD模拟金属狭缝阵列结构的近场分布

3．3．4 金属狭缝阵列模型的参数分析

3．4 本章小结

参考文献

第4章 基于泄露辐射的SPP非对称激发实验表征

4．1 基于泄露辐射的后焦面成像系统

4．1．1 泄露辐射的原理

4．1．2 后焦面成像原理

4．1．3 基于OlympusX71型倒置显微镜的LRM系统

4．2 SPP非对称激发效应的后焦面表征

4．2．1 金属狭缝阵列结构的制备

4．2．2 后焦面表征的实验结果及分析

4．2．3 动态调控SPP非对称激发分束比的实验结果

4．3 SPP非对称激发效应的前焦面表征

4．3．1 光栅表征表面等离子体概述

4．3．2 刻有光栅的金属狭缝阵列结构的制备

4．3．3 前焦面表征的实验结果及分析

4．4 本章小结

参考文献

第5章 工作总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果