本文關(guān)鍵詞：金屬—介質(zhì)混合型光子微納結(jié)構(gòu)光學(xué)共振模式性質(zhì)研究

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【摘要】：光子微納結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今光電子行業(yè)的一個重要研究領(lǐng)域,涉及到光子晶體、表面等離激元(SPP)、超材料等一系列炙手可熱的方向。該研究領(lǐng)域的特點在于可通過對材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真實現(xiàn)對電磁波的各種性質(zhì)進行有效調(diào)控。目前為止光子微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)有了近30年的研究歷史。在這期間,很多問題被一一解決,其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)受到諸多領(lǐng)域的高度重視。但不可否認現(xiàn)如今依舊有很多問題亟待解決,例如金屬結(jié)構(gòu)中的吸收損耗問題便是其中最突出的問題之一。 本論文針對光子微納結(jié)構(gòu)的理論計算、實驗制備以及光譜表征手段進行了一定程度的探討。在此基礎(chǔ)上,我們對周期性金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)所支持的光學(xué)共振模式對自發(fā)輻射的調(diào)控進行了深入分析。主要研究成果如下： (1)對傳統(tǒng)的微腔毛細法進行了改進,通過選用合適的小球濃度和銅絲直徑,利用毛細管力和表面張力成功制備了不同直徑單層聚苯乙烯膠體小球晶體,簡化了光子微納結(jié)構(gòu)的制備工藝,降低了制備成本。 (2)通過深入的理論分析和光學(xué)輔助仿真技術(shù),設(shè)計并搭建了宏觀角分辨和顯微角分辨光譜系統(tǒng),該類設(shè)備可以方便快速地測試光子微納結(jié)構(gòu)對特定角度電磁波的響應(yīng)。特別是顯微系統(tǒng),它具有角度分辨率高、入射光斑尺寸小,測試過程方便快捷等優(yōu)勢,并可通過一次性拍照方式獲取所研究材料的光子能帶結(jié)構(gòu)和等頻圖。 (3)通過數(shù)值計算和角分辨光譜技術(shù)研究了平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明這種周期性金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)同時支持局域在金屬表面的表面等離激元光學(xué)共振模式和局域在周期性介質(zhì)內(nèi)部的波導(dǎo)模式,這兩種光學(xué)共振模式都具有很好的色散特性,而且在這種混合型結(jié)構(gòu)中表面等離激元模式比傳統(tǒng)的全金屬結(jié)構(gòu)具有更低的傳輸損耗和更長的傳輸距離。這可以為解決傳輸型SPP吸收損耗問題提供一種全新的思路,并可能被用于設(shè)計低損耗、高性能的光電子器件。 (4)從時間和空間相干性出發(fā)深入研究了光學(xué)共振模式對自發(fā)輻射的調(diào)控效應(yīng)。當發(fā)光體的空間分布和波長與平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結(jié)構(gòu)中表面共振模式相吻合時,成功利用漏模對自發(fā)輻射的強度、方向、時間壽命、空間相干性進行了有效地調(diào)控。研究表明該結(jié)構(gòu)可以在對發(fā)光強度影響較小的情況下,通過電磁場與表面模式的弱耦合作用將一個非相干光源轉(zhuǎn)換成部分相干光源。這種獲得相干光源的方法將在光學(xué)成像,光學(xué)傳感等諸多方面產(chǎn)生積極影響。 (5)以平金屬表面覆蓋周期性膠體小球結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用FDTD算法研究了該結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的一些新奇的光學(xué)性質(zhì)。理論研究表明這種混合結(jié)構(gòu)對壓應(yīng)力異常敏感,為基于SPP的壓力傳感器件的設(shè)計提供了一種新模型。同時由于表面模式的存在以及較強的局域電磁場,使得該樣品表現(xiàn)出較強的幾何結(jié)構(gòu)旋光性,即在電磁波斜入射的情況下對左旋和右旋圓偏振光的光譜響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異性。
【關(guān)鍵詞】：光子微納結(jié)構(gòu) 表面等離激元 角分辨光譜 光學(xué)共振模式 光子能帶 光子等頻圖 相干性 SPP傳感器
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O441.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-33
• 1.1 光子晶體11-17
• 1.2 表面等離激元17-25
• 1.3 超材料25-28
• 1.4 金屬—介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)28-31
• 1.5 光子微納結(jié)構(gòu)研究中存在的問題31-33
• 2 光子微納結(jié)構(gòu)的制備與理論模擬方法33-44
• 2.1 單層膠體小球的自組裝技術(shù)34-39
• 2.2 光子微納結(jié)構(gòu)的理論模擬方法39-44
• 3 光子能帶結(jié)構(gòu)與光子等頻圖測試系統(tǒng)44-57
• 3.1 宏觀角分辨光譜測試系統(tǒng)45-47
• 3.2 顯微角分辨光譜測試系統(tǒng)47-55
• 3.3 小節(jié)55-57
• 4 周期性金屬—介質(zhì)型光子微納結(jié)構(gòu)光學(xué)共振模式57-70
• 4.1 樣品結(jié)構(gòu)及制備方法58-59
• 4.2 光學(xué)性質(zhì)表征與討論59-67
• 4.3 高靈敏度的化學(xué)物質(zhì)傳感器67-69
• 4.4 小結(jié)69-70
• 5 周期性金屬—介質(zhì)型光子微納結(jié)構(gòu)對熒光特性的調(diào)控70-89
• 5.1 樣品結(jié)構(gòu)與理論模型70-75
• 5.2 熒光定向增強輻射75-77
• 5.3 熒光相干性調(diào)控77-88
• 5.4 小節(jié)88-89
• 6 二維小球結(jié)構(gòu)表面模式特殊光學(xué)性質(zhì)的理論研究89-100
• 6.1 表面等離激元傳感器89-95
• 6.2 光學(xué)共振模式的旋光特性95-99
• 6.3 小節(jié)99-100
• 7 總結(jié)與展望100-103
• 7.1 主要工作及結(jié)論100-101
• 7.2 工作展望101-103
• 致謝103-105
• 參考文獻105-117
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄117

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本文編號：797621