本文選題：表面等離子體 + 倏逝波��； 參考：《西南交通大學》2014年博士論文

【摘要】：隨著微細加工與集成光電子技術(shù)等學科的發(fā)展與完善,表面等離子體光學引起了研究人員的極大興趣。表面等離子體由于具有波長短和倏逝波耦合放大等性質(zhì),可以用于傳輸和操控原局域在物體表面的高頻倏逝波,因而在超分辯成像、高密度存儲和光伏太陽能等各個領(lǐng)域擁有重要的研究及廣闊應(yīng)用前景。本文基于表面等離子體亞波長結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了倏逝波操控的物理機理、數(shù)理模型和光電性能等,并開展了元件制備和實驗驗證,主要包括以下幾個方面：首先研究了亞波長狹縫和光柵結(jié)構(gòu)的超衍射聚焦原理。狹縫結(jié)構(gòu)的聚焦性能主要由表面等離子體波在狹縫波導內(nèi)的等效傳播常數(shù)決定,而光柵結(jié)構(gòu)的聚焦性能由其出射面的電磁場分布以及向自由空間耦合條件共同決定。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種金屬-介質(zhì)-金屬波導結(jié)構(gòu)的光柵聚焦結(jié)構(gòu),引入多層膜中共振腔效應(yīng)提高聚焦性能。優(yōu)化得到的聚焦焦點能量相對于單層光柵聚焦結(jié)構(gòu)提高了21倍,并進一步分析多層膜波導中引入的額外傳輸損耗的對最終聚焦性能的影響。然后基于超棱鏡(S uperlen s)結(jié)構(gòu)研究了表面等離子體對倏逝波的耦合傳輸能力。從倏逝波角度分析衍射極限的物理含義,由于攜帶物體微納表面信息的高頻倏逝波被局域在物體表面,即使在無像差和無限大光闌的完美成像系統(tǒng)中也無法實現(xiàn)超衍射成像。表面等離子體由于其短波長色散特性,可以耦合放大表面倏逝波突破衍射極限。在此基礎(chǔ)上進一步研究金屬-介質(zhì)交替的多層膜結(jié)構(gòu)(Alternately Stacked Metal-Dielectric Layers, ASMDLs),利用等效介質(zhì)理論(Effective Material Theory, EMT)研究多層膜結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù),設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)雙曲的色散關(guān)系,滿足倏逝波在多層膜結(jié)構(gòu)中的傳輸條件。然后利用嚴格耦合波理論(Rigors Coupled Waves Analysis, RCWA)計算多層膜結(jié)構(gòu)的光學傳遞函數(shù),研究其倏逝波濾波特性,并在實驗上設(shè)計莫爾條紋進行驗證。在8對Ag(20nm)-SiO2(30nm)多層膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計400nm激發(fā)光柵和200nm檢測光柵,激發(fā)光柵產(chǎn)生高級次衍射波經(jīng)過多層膜濾波后與檢測光柵差頻,得到實驗中易于觀測的長周期莫爾條紋,實驗測得莫爾條紋周期為59.76μm,驗證了多層膜的倏逝波濾波性能。然后通過改變不同的入射角度,根據(jù)莫爾條紋的周期以及對比度的變化進一步研究了多層膜倏逝波濾波的帶通和濾波窗口不均勻等特性。接下來研究了納米膜層的表面粗糙度對倏逝波超衍射成像結(jié)構(gòu)的影響。首先介紹常見的粗糙度理論分析方法,并對比理論產(chǎn)生粗糙度與實驗測量粗糙度的異同,發(fā)現(xiàn)實驗測量粗糙度在橫向上自相關(guān)長度并不為零,具有一定的相關(guān)性。將實驗測量所得到的粗糙度引入金屬-光刻膠-反射層(GPG)超衍射成像結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)雖然表面粗糙度可以增加高頻分量的透過率,但其引起雜散的隨機光場分布使得整體成像性能變差。進一步研究發(fā)現(xiàn)引入適當?shù)膿p耗可以平滑超棱鏡結(jié)構(gòu)光學傳遞函數(shù)中的共振峰,并在保證原有圖形質(zhì)量的基礎(chǔ)上抑制粗糙度帶來的負面影響。對GPG成像結(jié)構(gòu)中不同界面的粗糙度和多層膜結(jié)構(gòu)中的粗糙度進一步分析表明,在成像銀層與光刻膠層界面的粗糙度對成像性能影響最大,多層膜結(jié)構(gòu)由于膜層數(shù)量的增加更容易受到粗糙度的影響。在這兩種情況下,同樣可以通過引入額外的損耗來抑制粗糙度的影響,提高成像質(zhì)量。不同界面的表面粗糙度對成像效果影響不盡相同,進一步研究在加工工藝中不同膜層的表面粗糙度分布情況,并分析后續(xù)加工工藝對原有膜層粗糙度的影響。首先利用電子束蒸鍍和光刻膠旋涂工藝加工了GPG超衍射成像結(jié)構(gòu),記錄不同的加工工藝對膜層表面粗糙度的影響。研究發(fā)現(xiàn)光刻膠有機層具有平滑表面粗糙度的功能,可以降低在其上加工膜層的表面粗糙度,另外隨著加工金屬膜層厚度的增加,采用電子束蒸鍍工藝制作銀納米膜的表面粗糙度也隨著增加。然后設(shè)計模板剝離實驗研究后續(xù)加工工藝對原有膜層的影響。利用紫外固化模板翻轉(zhuǎn)工藝將樣品從硅基片上剝離并逐層分析,研究表明硅基底上蒸鍍銀納米膜以及銀膜層上旋涂光刻膠均對原界面沒有影響,但在光刻膠層之上蒸鍍銀膜會影響原有的光刻膠形貌,增加表面粗糙度。上述研究表明,基于金屬表面等離子體可以有效操控局域在物體表面的倏逝波,實現(xiàn)在遠場的超衍射聚焦、倏逝波的傳輸和濾波等,能夠用于不同的研究領(lǐng)域,包括生物光子學、高密度光學存儲和高效光電轉(zhuǎn)換等,為高性能納米光學器件、超分辯成像等實際應(yīng)用提供了參考。
[Abstract]:In this paper , we have studied the physical mechanism , mathematical model and photoelectric properties of the multi - layer film structure by using equivalent medium theory ( EMT ) . The effects of different surface roughness on the surface roughness of the films are studied by means of electron beam evaporation and photoresist spin coating .

【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN911.7;O436.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 廖振鵬,黃孔亮,楊柏坡,袁一凡;A TRANSMITTING BOUNDARY FOR TRANSIENT WAVE ANALYSES[J];Science in China,Ser.A;1984年10期

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本文編號：1855204