本文關(guān)鍵詞：金屬微納結(jié)構(gòu)對熒光的調(diào)控，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：熒光現(xiàn)在在顯微成像、光學(xué)器件、醫(yī)學(xué)研究和診斷,以及生物領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在化學(xué)、生物上,熒光分子可以用來表征蛋白質(zhì)分子的合成和能量轉(zhuǎn)移、提高生物分子成像質(zhì)量檢測癌細胞,和DNA測序等等。在物理上,熒光分子可以作為一個光子發(fā)射源,把它放到各種微腔中研究它們之間的強耦合作用,如Rabi分裂等。熒光分子還可以作為增益介質(zhì)和共振腔一起形成受激輻射,得到激光,如染料激光器和Spaser等。隨著金屬人工微結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,運用表面等離激元(SPP)調(diào)制熒光的技術(shù)可以顯著地提高熒光強度和靈敏度,因而引起了人們的研究興趣。論文中我們通過設(shè)計金屬微納結(jié)構(gòu)來調(diào)控?zé)晒夥肿又車碾姶艌霏h(huán)境,分別從理論、模擬和實驗上研究了金屬微結(jié)構(gòu)材料中的電磁耦合效應(yīng),進而實現(xiàn)對染料分子發(fā)出的熒光的有效調(diào)控。主要研究了一維周期光柵結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系；SPP帶邊增強熒光；熒光的放大的自發(fā)輻射；SPP微腔等。具體包括以下幾個部分：1、平面金屬SPP的色散關(guān)系曲線是斜率逐漸減小的光滑曲線,在金屬表面引入一維矩形周期光柵結(jié)構(gòu)后,SPP的色散關(guān)系就會受到調(diào)制。該結(jié)構(gòu)能提供多個倒格矢,在色散關(guān)系曲線的布里淵區(qū)邊界產(chǎn)生帶隙。原本位于光錐線外部的帶隙能通過倒格矢平移、折疊到光錐線內(nèi),實現(xiàn)帶邊模式的垂直激發(fā)。帶隙的位置主要受周期P的影響,帶隙的寬度則由凹槽的寬度d和深度h決定。FDTD模擬的帶隙寬度與計算的相應(yīng)傅利葉系數(shù)成正比關(guān)系。當(dāng)凹槽寬度為P/2時,沒有帶隙；當(dāng)凹槽寬度為P/4和3P/4時,帶隙最大,但激發(fā)的共振模式不同。d=P/4激發(fā)的電場上帶邊較強,下帶邊較弱；而d=3P/4則是下帶邊較強,上帶邊較弱。計算、模擬的結(jié)果得到了實驗驗證。2、態(tài)密度是與色散關(guān)系曲線的斜率成反比的,通過計算一維周期金屬光柵結(jié)構(gòu)的態(tài)密度發(fā)現(xiàn),越靠近帶邊,態(tài)密度越大。帶隙越大,帶邊附近的斜率越小,帶邊位置的態(tài)密度越高。FDTD模擬的電場分布圖表明帶邊處耦合可以產(chǎn)生很強的SPP共振模式。由費米黃金定則可知,染料分子的發(fā)光強度主要受到分子周圍電磁場的場強和態(tài)密度影響。SPP在帶邊同時具有很高的態(tài)密度和場強,所以可以用來增強熒光。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計,我們把SPP的帶邊調(diào)到熒光發(fā)射峰的波段。實驗對比發(fā)現(xiàn),最優(yōu)化的Au結(jié)構(gòu)是占空比為3/4,在此結(jié)構(gòu)上的熒光發(fā)光強度是在平面金屬上的120倍；當(dāng)占空比為1/4時,增強95倍；當(dāng)占空比為1/2時,僅40倍。3、提出了一個可以實現(xiàn)熒光的放大自發(fā)輻射的金屬微結(jié)構(gòu)的模型,即將染料分子置于金屬/介質(zhì)/金屬中的介質(zhì)層,并在上層金屬上刻蝕一維周期光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)把介質(zhì)微腔中的F-P腔模與相鄰金屬光柵的SPP模調(diào)到同一波段時,二者產(chǎn)生強烈的耦合。兩種模式是否產(chǎn)生耦合是通過改變金屬光柵的深度來調(diào)節(jié)的。耦合作用越強,熒光譜的半峰寬(FWHM)越窄,放大的自發(fā)輻射的閾值越低。當(dāng)凹槽的深度h=25nm時,F-P模與SPP模恰好耦合,此時結(jié)構(gòu)對應(yīng)的激發(fā)閾值最低,為5W/cm2。由于結(jié)構(gòu)表面存在一維周期光柵結(jié)構(gòu),因而具有一定的偏振特性,從采集到的結(jié)果來看,81%的能量經(jīng)過SPP再輻射到空間中,只有19%的能量直接穿過上表面透射出來。利用液氮研究了樣品閾值隨溫度的變化規(guī)律,隨著溫度的降低,樣品內(nèi)部的損耗減少,因而閾值在不斷地降低。4、在調(diào)研了不同的光子晶體缺陷微腔激光器之后,我們在金屬周期結(jié)構(gòu)中引入缺陷微腔。當(dāng)入射光激發(fā)了微腔兩邊的SPP后,經(jīng)過反射就會在中間的微腔內(nèi)產(chǎn)生共振。實驗結(jié)果表明,該共振結(jié)構(gòu)可以極大地增強染料分子的熒光,并使峰寬變窄,初步結(jié)果是實現(xiàn)了熒光的放大自發(fā)輻射。但是要實現(xiàn)SPP微腔激光器,仍面臨很多困難,如：如何克服SPP損耗問題、如何使微腔共振進一步加強、以及增益介質(zhì)的選擇等,這些都需要我們不斷地探索。
【關(guān)鍵詞】：表面等離激元(SPP) 熒光 一維周期結(jié)構(gòu) 帶隙 色散關(guān)系 微腔模式
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O482.31
【目錄】：

• 中文摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 第一章 前言14-39
• 1.1 熒光理論16-19
• 1.1.1 熒光的發(fā)光原理16-17
• 1.1.2 熒光壽命17-18
• 1.1.3 熒光淬滅18-19
• 1.1.4 熒光的各種輻射19
• 1.2 金屬微納結(jié)構(gòu)19-25
• 1.2.1 表面等離極化激元20-21
• 1.2.2 SPP的色散關(guān)系21-22
• 1.2.3 耦合產(chǎn)生SPP的方法22-25
• 1.3 論文結(jié)構(gòu)與安排25-27
• 參考文獻27-39
• 第二章 周期光柵結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系39-59
• 2.1 引言39
• 2.2 帶隙的理論39-42
• 2.3 帶隙的模擬與計算42-49
• 2.3.1 光柵寬度d對帶隙的影響42-46
• 2.3.2 光柵深度h對帶隙的影響46-49
• 2.4 色散關(guān)系的模擬49-51
• 2.5 色散關(guān)系的測量51-55
• 2.6 本章小結(jié)55-56
• 參考文獻56-59
• 第三章 表面等離激元帶邊熒光增強59-77
• 3.1 引言59
• 3.2 復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)59-61
• 3.3 態(tài)密度及色散關(guān)系的研究61-66
• 3.3.1 一維周期光柵結(jié)構(gòu)的態(tài)密度61-63
• 3.3.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系研究63-66
• 3.4 熒光光譜測量66-71
• 3.5 本章小結(jié)71-72
• 參考文獻72-77
• 第四章 通過SPP和F-P腔模式耦合實現(xiàn)熒光自發(fā)輻射的放大77-101
• 4.1 引言77
• 4.2 F-P微腔77-80
• 4.2.1 微腔品質(zhì)因子78-79
• 4.2.2 微腔內(nèi)的場強增強79
• 4.2.3 Purcell因子79
• 4.2.4 低閾值激光79-80
• 4.3 產(chǎn)生微腔的幾種模型80-84
• 4.3.1 平面微腔80-82
• 4.3.2 球面微腔82
• 4.3.3 柱形微腔82-83
• 4.3.4 回音壁模式微腔83-84
• 4.4 SPP與平面微腔的耦合84-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 參考文獻94-101
• 第五章 金屬微腔激光101-112
• 5.1 引言101-102
• 5.2 光子晶體微腔激光器102-104
• 5.3 金屬SPP微腔104-108
• 5.4 本章小結(jié)108-109
• 參考文獻109-112
• 第六章 總結(jié)與展望112-115
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文、參加的學(xué)術(shù)會議115-117
• 致謝117-119

【共引文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：金屬微納結(jié)構(gòu)對熒光的調(diào)控，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：371953