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微纳金属复合结构的光学特性及其应用基础研究

作　者: 张斗国
导　师: 明海；王沛
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 扫描近场光学显微镜微纳金属复合结构聚合物光子学局域表面等离子体共振效应严格耦合波分析方法
分类号: O482.3
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 753次
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内容摘要

本论文的研究工作是在国家自然科学基金项目(No．10474093，90206002)和国家重点基础研究发展规划项目(No．2006CB302905)的资助下完成的。主要研究了微纳金属复合结构的光学特性及其应用基础：将局域表面等离子体共振效应(Localized Surface Plasmons Resonance，LSPR)引入到聚合物光子学中，利用LSPR的局域场增强效应来提高聚合物材料的光学性能；研究了这种金属纳米颗粒复合聚合物材料的光学特性及其在聚合物光子器件上的应用；研究了有序微纳金属复合阵列结构的光学特性及其在光传感、偏振光学元件、表面拉曼散射增强等方面的应用。本论文的研究工作和成果如下：1．利用近场扫描光学显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy，SNOM)在偶氮聚合物薄膜表面成功的记录了突破光学衍射极限的记录点。分析了辐照时间对记录点大小的影响，利用梯度力理论解释了记录点形成机理。在记录光波长为457nm情形下，获得的最小记录点直径为120nm。最后提出了一种全光写读近场光存储方案。2．研究了掺杂银纳米颗粒对于偶氮聚合物薄膜近远场光学特性的影响。利用SNOM观测到聚集在偶氮表面的纳米银颗粒的透射增强现象，分析了这种透射增强效应是由于激发了纳米银颗粒的局域表面等离子体(Localized Surface Plasmons，LSPs)。远场的实验结果表明一定浓度纳米银颗粒的存在可以有效提高偶氮分子的光致取向速度，但是浓度过大取向的速度反而降低。实验结果有利于发展快速光存储和光开关材料。3．研究了掺杂银纳米颗粒的染料聚合物薄膜的光学特性。利用θ-2θ棱镜耦合仪测量了这种薄膜的厚度和折射率，这种薄膜可以作为一种光学性能增强的聚合物平面波导。测量了不同纳米银浓度情况下的荧光强度，实验结果证明一定浓度银颗粒的存在可以有效增强这种聚合物波导的荧光强度，本实验中最大的荧光增强因子为3.8。实验结果对于发展聚合物波导放大器或激光器有一定的借鉴意义。4．利用数值模拟方法研究了不同材料制作的亚波长金属光栅在可见光波段的偏振特性。重点研究了金光栅、铝光栅和一种新型的金铝复合双层光栅。分析了光栅结构参数对光栅偏振分束能力的影响。对于新型的金铝双层光栅，对不同波长不同偏振光的透射率反射率可以通过调节金铝的厚度比例来调节。该研究工作对于发展设计新型的光学偏振元件有一定的参考意义。提出了一种H型的复合金属光栅表面等离子体共振(Surface Plasmons Resonance，SPR)传感器。利用数值模拟方法分析了结构参数对于SPR共振曲线的振幅、曲线宽度以及共振角位移的影响。5．阐述了周期性金属微纳结构的基本光学特性及其应用，实验研究了不同周期金孔径阵列结构在表面拉曼散射增强效应中的应用。本论文的创新点主要包括：1．将金属纳米颗粒的LSPR效应引入到聚合物光子学中，利用金属纳米颗粒LSPs局域场增强效应提高聚合物材料的光学性能。首次研究了银纳米颗粒对偶氮光致取向速度的影响，并观察到偶氮表面银纳米颗粒聚集体的透射增强现象；首次观测到银纳米颗粒掺杂有源聚合物波导荧光增强效应并分析了此效应产生的机理。这种金属纳米颗粒复合聚合物材料在发展制作新型聚合物光子器件上有很好的应用前景。2．首次利用严格耦合波分析方法研究了金、铝、金铝复合亚波长光栅在可见光波段的偏振特性。模拟结果对于设计制作新型纳米光学偏振元件有很好的指导意义。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-12
第一章绪论  12-28
  §1.1 近场光学与近场光学显微镜  12-17
    §1.1.1 近场光学简介  13-14
    §1.1.2 扫描近场光学显微镜的基本原理  14-15
    §1.1.3 扫描近场光学显微镜应用  15-17
  §1.2 金属微纳结构表面等离子体基本性质概述  17-23
    §1.2.1 表面等离子体和局域表面等离子体简介  17-19
    §1.2.2 表面等离子体的激发  19-21
    §1.2.3 表面等离子体的近场研究  21-22
    §1.2.4 表面等离子体共振效应的应用  22-23
  §1.3 聚合物光学材料概述  23-24
  §1.4 本文的主要研究内容  24-26
  参考文献  26-28
第二章偶氮聚合物薄膜的近场光存储实验研究  28-42
  §2.1 偶氮聚合物薄膜的基本光学性质  28-31
    §2.1.1 偶氮液晶聚合物类型  28-29
    §2.1.2 偶氮液晶聚合物双折射  29-30
    §2.1.3 偶氮光诱导表面形貌  30-31
  §2.2 偶氮聚合物薄膜近场光存储实验  31-36
    §2.2.1 实验装置介绍  32-34
    §2.2.2 实验结果与讨论  34-36
  §2.3 全光写读近场光存储初步实验  36-38
  §2.4 本章小结  38-40
  参考文献  40-42
第三章掺银纳米颗粒偶氮聚合物薄膜光学特性研究  42-58
  §3.1 金属纳米颗粒的基本光学特性  42-48
    §3.1.1 球形金属纳米颗粒的等离子体共振  42-45
    §3.1.2 任意形状的金属纳米颗粒的光学特性研究  45-48
  §3.2 掺杂纳米银颗粒偶氮聚合物薄膜的制备  48-49
    §3.2.1 纳米银颗粒的制作方法  48-49
    §3.2.2 掺杂纳米银颗粒偶氮聚合物薄膜的制备  49
  §3.3 掺纳米银颗粒偶氮聚合物薄膜实验研究  49-53
    §3.3.1 近场光学实验  50-51
    §3.3.2 远场光学实验  51-53
  §3.4 本章小结  53-56
  参考文献  56-58
第四章掺银纳米颗粒有源聚合物波导光学特性研究  58-74
  §4.1 聚合物波导概述  58-60
  §4.2 聚合物波导基本参数的测量  60-64
    §4.2.1 M-line法测量聚合物波导膜厚与折射率  60-62
    §4.2.2 聚合物波导传输损耗测量  62-63
    §4.2.3 SNOM在聚合物波导光学性质研究中的应用  63-64
  §4.3 掺杂纳米银颗粒有源聚合物波导制备  64-66
  §4.4 染料与银颗粒掺杂聚合物波导光学特性研究  66-69
    §4.4.1 波导的折射率与膜厚测量  66-67
    §4.4.2 荧光特性的测量  67-69
  §4.5 本章小结  69-72
  参考文献  72-74
第五章亚波长金属光栅的偏振与传感特性研究  74-90
  §5.1 亚波长金属光栅的基本性质  74-76
  §5.2 RCWA方法简介  76-78
  §5.3 亚波长金属光栅在可见光波段的偏振特性  78-83
    §5.3.1 数值模拟的模型  78
    §5.3.2 结果与讨论  78-83
  §5.4 亚波长金属光栅SPR传感器的应用研究  83-86
    §5.4.1 数值模拟的模型  83
    §5.4.2 数值模拟的结果与讨论  83-86
  §5.5 本章小结  86-88
  参考文献  88-90
第六章微纳金属颗粒阵列结构光学特性实验研究  90-102
  §6.1 微纳金属颗粒阵列结构基本性质与研究现状  90-96
    §6.1.1 基于金属颗粒阵列LSPR效应的光学生物传感器  90-93
    §6.1.2 金属颗粒阵列在SERS中的应用  93-94
    §6.1.3 基于金属颗粒阵列结构LSPR效应的纳米光子学器件  94-96
  §6.2 微纳金属颗粒阵列结构制作、表征及其应用  96-99
    §6.2.1 周期性孔径结构在SERS中的应用  97-99
  §6.3 本章小结  99-100
  参考文献  100-102
攻读博士期间发表的论文目录  102-106
致谢  106

微纳金属复合结构的光学特性及其应用基础研究

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