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微纳金属狭缝结构中光的干渉特性及应用研究

作　者: 王晨
导　师: 肖井华
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 表面等离激元 金属狭缝结构 多模干涉 纳米聚焦 光学传感器
分类号: O436.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近年来,随着化学合成技术和微纳加工技术的不断提高,基于微纳金属结构的纳米集成光学器件得到了迅速的发展。在集成光学的应用领域,由于存在光学衍射效应,会导致聚焦光斑出现极限分辨率问题。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)作为光波与金属表面自由电子相互作用形成的一种电磁波模式,以其独特的表面局域、短波长和透射增强的性质,为突破衍射极限提供了重要的方法。本文基于SPPs的特性,在微纳金属狭缝结构中研究了光的干涉效应,展示了SPPs在远场亚波长聚焦、表面单向激发和近场聚焦以及折射率传感方面的应用。具体内容如下：1.设计并在实验中展示了一个可实现高效亚波长聚焦的微纳多狭缝结构。该结构由一个微米量级的“T”字形狭缝及其两侧对称分布的一系列宽度相同的纳米量级的狭缝构成。由于微米狭缝的自聚焦、“T”字形结构的干涉加强以及周边狭缝的多光束干涉增强现象,成功的实现了远场的高强度亚波长聚焦。由于微米量级狭缝结构的多模干涉自聚焦效应的引入,增大了透过光强,进而增强了结构聚焦系统的效率。此外,宽的狭缝也易于进行加工。在实验中,我们通过近场光学显微镜(SNOM)观测到了亚波长聚焦的现象。2.提出了利用高折射率介质薄膜与非对称狭缝相结合的结构,实现SPPs的高效单向激发。由于入射光在介质薄膜内的多次反射产生Fabry-Perot共振,使得入射到狭缝结构中的光强得到了显著的提升。类似的共振效应也同时出现在非对称的狭缝结构中,使得受激发产生的SPPs被单向激发。基于这个激发结构,我们提出了一个可以增强表面聚焦的半圆形结构,该结构由金属薄膜上的半圆形非对称狭缝和高折射率的介质薄膜基底构成。我们采用有限元数值仿真软件Comsol Multiphysics的三维模型,对设计的表面聚焦结构进行了仿真。仿真结果显示,由于介质膜和非对称狭缝的增强作用,使得近场亚波长聚焦的强度提升超过了4倍。另外,该设计还有定向聚焦的优势,因此在纳米集成光学领域具有广阔的应用前景。3.提出并通过实验展示了一个宽谱响应的折射率传感器。该结构由刻在金属薄膜上的狭缝以及两个对称分布在狭缝两侧的凹槽构成。由于SPPs的干涉效应,狭缝-双凹槽结构的透过谱具有周期振荡的行为,并对金属表面介质环境的折射率敏感。我们通过实验展示了该结构的折射率传感能力。在实验设计中,我们采用白光点光源从样品背面大面积入射到样品上,因此入射光源不需要紧聚焦。这不但降低了实验测量的难度并且可以防止强光照射对样品的破坏。同时,整个结构还可以做得很小,有利于器件的集成。本文的创新点主要包括：1.提出了利用微米尺度量级的狭缝以及构造“T”字型结构来实现远场亚波长聚焦的设计思路,并在实验上实现了亚波长聚焦,该系统的聚焦效率远高于同类设计。2.将高折射率的介质薄膜和非对称狭缝结构用于增强SPPS的激发效率。并利用该结构,实现了金属表面的高效亚波长聚焦。同时,该结构还具有良好定向聚焦特性。3.设计了一个紧凑的狭缝-双凹槽传感结构,并通过实验展示了该结构的传感特性。该结构是基于SPPs的干涉特性进行传感,具有宽谱响应的特性。此外,系统中的光源从样品的背面入射,不但降低了实验难度,还可以避免强光照射对样品的破坏。

全文目录


摘要  4-7
ABSTRACT  7-11
第一章 引言  11-40
  1.1 课题研究的背景和意义  12-14
  1.2 表面等离激元基本理论  14-18
  1.3 表面等离激元的亚波长聚焦特性研究  18-27
    1.3.1 基于SPPs的远场亚波长聚焦  19-21
    1.3.2 基于SPPs的表面聚焦和应用  21-27
  1.4 基于SPPs的生化传感  27-31
  1.5 本文的主要工作  31-32
  1.6 本文的结构框架和章节安排  32-33
  参考文献  33-40
第二章 微米狭缝结构的高效亚波长聚焦  40-61
  2.1 研究现状和存在的问题  40-43
  2.2 微米狭缝的自聚焦  43-48
  2.3 “T”字型微米狭缝的聚焦增强  48-51
  2.4 多光束干涉实现远场高效亚波长聚焦  51-54
  2.5 实验方法和结果  54-58
  2.6 本章小结  58-59
  参考文献  59-61
第三章 非对称狭缝中SPPs的定向激发和亚波长聚焦  61-76
  3.1 带有介质膜的非对称狭缝结构中SPPs激发的研究  62-70
  3.2 金属表面的亚波长聚焦效应研究  70-73
  3.3 本章小结  73-74
  参考文献  74-76
第四章 表面等离激元的传感特性研究  76-91
  4.1 表面等离激元传感器的研究现状和存在的问题  76-80
  4.2 基于狭缝-双凹槽结构的干涉型表面等离激元传感器  80-83
  4.3 数值分析与讨论  83-84
  4.4 实验结果及讨论  84-87
  4.5 本章小结  87-88
  参考文献  88-91
第五章 总结与展望  91-94
  5.1 本文总结  91-92
  5.2 工作展望  92-94
致谢  94-95
攻读博士学位期间发表的学术论文目录  95

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 物理光学（波动光学） > 干涉与衍射
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