【摘要】：激光的誕生,為信息技術(shù)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi)文明產(chǎn)生了廣泛、巨大而深遠(yuǎn)的影響,在諸多領(lǐng)域均扮演著極其重要且難以替代的角色。然而,隨著對(duì)“光”的認(rèn)識(shí)不斷深入和各種需求的驅(qū)動(dòng),光場(chǎng)構(gòu)造、操控的相關(guān)科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)一直是科學(xué)界研究的重要課題和國(guó)際競(jìng)相爭(zhēng)奪的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)。光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)在激光工程、激光傳輸、光鑷技術(shù)、顯微成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。近年來(lái),隨著微納光子學(xué)與技術(shù)的提出與發(fā)展,光場(chǎng)與表面等離激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)結(jié)構(gòu)、離散超表面(metasurface)結(jié)構(gòu)的相互作用以及基于此類(lèi)微納結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)調(diào)控的相關(guān)研究,引起了廣泛的關(guān)注�，F(xiàn)階段商業(yè)化空間光調(diào)制器的飛速發(fā)展,為光場(chǎng)調(diào)控提供了極高的自由度,具有新穎特性的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)與微納結(jié)構(gòu)相互作用必將導(dǎo)致新效應(yīng)、新現(xiàn)象、新機(jī)理、新技術(shù)和新應(yīng)用；同時(shí)構(gòu)造微納結(jié)構(gòu)也為操縱光場(chǎng)提供了更靈活、更豐富的手段,因此,將光場(chǎng)特性、微納結(jié)構(gòu)及其耦合作用過(guò)程結(jié)合起來(lái),開(kāi)展新穎光場(chǎng)生成、調(diào)控及其與微納結(jié)構(gòu)相互作用研究具有重要的意義,可為諸多光學(xué)問(wèn)題及應(yīng)用提供解決及優(yōu)化方案,比如：、高效、超強(qiáng)的納米局域光場(chǎng)、高敏感度生物傳感器、超分辨高效光譜探測(cè)、超分辨光學(xué)成像、高效太陽(yáng)能電池、新型納激光源等。基于此,本論文重點(diǎn)開(kāi)展光場(chǎng)振幅、位相偏振調(diào)控的理論與實(shí)驗(yàn)工作,研究了不同位相分布的光場(chǎng)對(duì)激發(fā)表面等離激元、及其場(chǎng)分布的影響,制備設(shè)計(jì)了相關(guān)微納結(jié)構(gòu)并研究了其近遠(yuǎn)場(chǎng)分布的光學(xué)特性。主要研究成果如下：1.發(fā)明了一套基于改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀的多通道空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)生成裝置,在該簡(jiǎn)易系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于振幅、相位和偏振的調(diào)控,光路的輸出端是開(kāi)放的,可以加入其它功能性光學(xué)元件,整個(gè)系統(tǒng)具有極高的自由度。2.研究分析了渦旋位相階次對(duì)于光場(chǎng)半徑的影響,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了二者的關(guān)系曲線,基于此提出了一套測(cè)量渦旋位相階次及其手性的方法;基于光束尺寸對(duì)于渦旋階次的依賴(lài)性,通過(guò)調(diào)控入射場(chǎng)渦旋位相,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于銀膜表面SPP激發(fā)效率的顯著提高；利用我們發(fā)明的多通道空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)生成裝置,研究了階次相同或相反情況下的渦旋光場(chǎng)的同軸與離軸干涉效應(yīng);利用液晶空間光調(diào)制器生成了艾里光束與韋伯光束,并引入顯微鏡系統(tǒng)研究了二者同銀膜表面的一維光柵結(jié)構(gòu)的相互作用情況,發(fā)現(xiàn)入射場(chǎng)攜帶的相位信息會(huì)直接影響面內(nèi)激發(fā)的SPP初始位相,進(jìn)而調(diào)控面內(nèi)SPP的場(chǎng)分布。3.基于最基本的Plasmonic lens結(jié)構(gòu)——同心圓環(huán)結(jié)構(gòu),研究了線偏振光入射時(shí)該結(jié)構(gòu)的偏振依賴(lài)光學(xué)各向異性特性。利用FDTD數(shù)值計(jì)算的方法研究了圓環(huán)半徑、狹縫寬度、圓環(huán)數(shù)量及圓環(huán)周期對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)的影響。得出了亞波長(zhǎng)尺度下各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于TM與TE入射偏振所激發(fā)的Plasmonic模式和Photonic模式的振幅比的影響;利用FIB聚焦離子束刻蝕制備了相關(guān)結(jié)構(gòu),借助偏光干涉顯微鏡系統(tǒng)研究了該同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)中的光學(xué)各向異性特性,基于偏振干涉理論,提出了表面等離激元結(jié)構(gòu)中TE、TM本征模式疊加模型,簡(jiǎn)明優(yōu)美地分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并在此基礎(chǔ)上,成功預(yù)言并實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了L型金屬微納孔洞結(jié)構(gòu)的透射場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布,表明該模型為表面等離激元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其光場(chǎng)調(diào)控提供了理論支持。4.研究了金屬阿基米德螺旋線微納結(jié)構(gòu)對(duì)于不同手性圓偏振光的響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)入射光的手性可以調(diào)控近場(chǎng)表面等離激元的強(qiáng)度與位相分布。為進(jìn)一步研究解析近遠(yuǎn)場(chǎng)變換調(diào)控的物理過(guò)程,在該螺線結(jié)構(gòu)中心復(fù)合了納米光學(xué)天線,將表面等離激元聚焦場(chǎng)散射至遠(yuǎn)場(chǎng),利用共焦顯微技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了遠(yuǎn)場(chǎng)圖像,進(jìn)而提出了偶極子遠(yuǎn)場(chǎng)疊加理論模型,很好地分析了不同手性圓偏振光與金屬阿基米德螺旋線耦合調(diào)控的遠(yuǎn)場(chǎng)特性,實(shí)現(xiàn)了一種通過(guò)改變?nèi)肷鋱?chǎng)手性調(diào)控輸出光偏振的光子器件。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)與特色：1.發(fā)明了一套基于改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀的多通道空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)生成裝置,在該系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于振幅、位相和偏振的調(diào)控,利用該裝置實(shí)驗(yàn)上得到了徑向與角向偏振光、任意階次的渦旋光場(chǎng)、艾里光束、韋伯光束以及任意振幅分布的輸出。2.提出了表面等離激元結(jié)構(gòu)中TE、TM本征模式疊加的理論模型,系統(tǒng)研究了金屬微納結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于不同偏振入射的透過(guò)率依賴(lài)關(guān)系,基于該理論分析模型,提出了一種計(jì)算微納結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布的方法,并實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備了不同參數(shù)的金屬同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。3.提出了中心復(fù)合納米光學(xué)天線的金屬阿基米德螺線結(jié)構(gòu),理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了該金屬結(jié)構(gòu)的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程,發(fā)現(xiàn)對(duì)于本身具有手性的微納結(jié)構(gòu),同入射場(chǎng)相互作用過(guò)程中,光場(chǎng)的角動(dòng)量信息會(huì)有效的轉(zhuǎn)換至近場(chǎng)分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于入射場(chǎng)手性響應(yīng)的偏振輸出光子器件。
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圖片說(shuō)明： 納結(jié)構(gòu)調(diào)控表面等離激元的概述逡逑Ｐ束縛在金屬表面，其特性勢(shì)必強(qiáng)烈的受到金屬表面計(jì)和制備不同的微納結(jié)構(gòu)對(duì)于表面等離激元場(chǎng)分布的單的一類(lèi)結(jié)構(gòu)形式即為金屬薄膜表面的納米化洞，，關(guān)這一類(lèi)結(jié)構(gòu)開(kāi)始的�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)對(duì)于金屬薄膜表面過(guò)率遠(yuǎn)大于用傳統(tǒng)光學(xué)的衍射理論計(jì)算的孔洞透過(guò)率，面孔洞之間的光場(chǎng)也參與了透射過(guò)程，提高了透過(guò)率［場(chǎng)表面等離激元的參與，此時(shí)納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)起到一步調(diào)控孔洞陣列的周期正入射時(shí)的透過(guò)峰位置／二者之間滿足如下關(guān)系［２］，逡逑＼邋Ｃｍ邋＋邋Ｅｊ逡逑ｚ和ｙ為陣列的散射級(jí)次。逡逑
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圖片說(shuō)明： 逑導(dǎo)［５７－５９］、金屬顆粒鏈［６０，邋６１］、金屬Q(mào)g的圓柱空洞［６２］、兩塊金屬板之間的間隔逡逑層［６３，邋６４巧日金屬薄膜表面介質(zhì)負(fù)載的雜化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［６５］等。如圖１．６所示，即為逡逑最常見(jiàn)的一種金屬ＳＰＰ波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。逡逑圖１．６不同直徑的金屬納米線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)發(fā)光像�？桑卓闯霾▽�(dǎo)模式的波結(jié)數(shù)受到波逡逑導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響［５７Ｊ。逡逑同傳統(tǒng)光學(xué)中的光學(xué)元件類(lèi)似，金屬結(jié)構(gòu)除了可Ｗ實(shí)現(xiàn)ＳＰＰ的激發(fā)、傳輸、逡逑干涉之外還可Ｌ：Ｊｌ調(diào)控ＳＰＰ的位相和偏振特征。普通光學(xué)元件，諸如透鏡、棱鏡、逡逑波片等都是通過(guò)光場(chǎng)的傳播行為來(lái)實(shí)現(xiàn)的波前調(diào)制，且一般這個(gè)傳播距離需要遠(yuǎn)逡逑大于波長(zhǎng)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)未來(lái)光子器件小型化和集逡逑成化的要求。而金屬結(jié)構(gòu)可Ｗ在一個(gè)非常薄的平面上實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)逡逑域的振幅、位相、偏振的調(diào)控，便于實(shí)現(xiàn)微納尺度的光學(xué)功能元件。這也就是近逡逑年來(lái)引起廣泛關(guān)注的表面等離激元透鏡（Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ邋Ｌｅｎｓ）邋［６６－７０］、超材料逡逑（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）邋［７１，巧和超表面（Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ）邋［７３－７引結(jié)構(gòu)。如圖１．７所示為逡逑金屬薄膜表面的圓環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)自由空間的光束照射結(jié)構(gòu)時(shí)，可レ義激發(fā)圓環(huán)逡逑上的ＳＰＰ
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O485;O441.4

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本文編號(hào)：2513420