布洛赫表面波光場調(diào)控及其應(yīng)用研究.pdf

1、布洛赫表面波(Bloch surface wave，BSW)是束縛在多層介質(zhì)膜與半無限大均勻介質(zhì)界面的表面電磁模式，可被看作介質(zhì)版低損耗表面等離激元(Surface plasmon polaritions，SPPs)。與SPPs相似，可以通過改變傳播界面的表面形貌和材料屬性，設(shè)計構(gòu)造不同的結(jié)構(gòu)對BSW光場進行有效調(diào)控，從而可在納米尺度下研究光子的產(chǎn)生、傳輸、操縱、變換及其與物質(zhì)相互作用規(guī)律，展現(xiàn)新穎的光學現(xiàn)象，實現(xiàn)基于BSW的光力操作，

2、光場多維調(diào)控，超分辨成像，大視角全息以及高度集成的片上光譜檢測、光子路由等新型微納光學功能器件的研發(fā)。本論文從BSW與SPPs的對比出發(fā)，分別利用理論和實驗手段分析并表征了多層介質(zhì)膜與表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了BSW的激發(fā)與整形，并得到了基于BSW的面上光波導(dǎo)、反射器、分束器、偏振轉(zhuǎn)換器、光開關(guān)等光學器件。對于這些問題的研究不僅具有極其重要的理論價值，同時也推動光學在信息、化學、生命和材料領(lǐng)域的交叉研究應(yīng)用。
　　本論文的主要研究工

3、作如下:
　　1.利用光子帶隙理論深入分析了布洛赫表面光場產(chǎn)生的物理機理及其定義，通過精心設(shè)計多層介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)，將其與聚合物納米纖維復(fù)合，提出并實現(xiàn)了一種新型的一維布洛赫表面波模式，并在理論上研究對比了介質(zhì)負載布洛赫表面波與一維布洛赫表面波模式，驗證了一維BSW模式局域性及傳感性能更佳。實驗中用等離子體化學增強氣相沉積法制備多層介質(zhì)膜，用靜電紡絲方法制備了聚合物納米纖維，利用自行搭建的泄漏輻射顯微系統(tǒng)實現(xiàn)了聚合物納米纖維中一維BS

4、W激光和熒光信號的傳輸，進一步實現(xiàn)了同一基底不同波長情況下介質(zhì)負載布洛赫表面波到一維布洛赫表面波的轉(zhuǎn)變，基于此對聚合物納米纖維進行化學修飾實現(xiàn)了不同波長布洛赫表面波熒光信號的同時激發(fā)。
　　2.研究分析了多層介質(zhì)薄膜與交叉耦合光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)將自由空間3D高斯光束耦合成二維布洛赫表面波，提出并實現(xiàn)了液相環(huán)境中無衍射布洛赫表面波。利用后焦面成像技術(shù)驗證了無衍射布洛赫表面波是由交叉光柵生成的兩束平面二維BSWs干涉得到。在無衍射BSW傳輸

5、路徑上放置多個障礙物、或尺寸較大的微米纖維結(jié)構(gòu)，驗證了無衍射布洛赫表面波自修復(fù)效應(yīng)。調(diào)整多層介質(zhì)膜的參數(shù)，用同樣的方法實現(xiàn)了空氣環(huán)境中無衍射布洛赫表面波的傳輸及其自修復(fù)效應(yīng)。
　　3.實驗研究了多層介質(zhì)薄膜與單根銀納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用易于合成與操控的銀納米線代替聚焦離子束或電子束曝光等手段加工的特定微納結(jié)構(gòu)作為遠-近場耦合器，實現(xiàn)了二維BSW的激發(fā)、傳播，同時利用彎曲銀納米線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)二維布洛赫表面波的聚焦。進一步將空間光調(diào)制器整形

6、獲得的三維結(jié)構(gòu)光場耦合轉(zhuǎn)換為二維布洛赫表面結(jié)構(gòu)光場，實現(xiàn)二維布洛赫表面波的傳播方向、寬度、傳輸長度等的動態(tài)調(diào)控。
　　4.設(shè)計了同時支持橫電模和橫磁模兩種偏振的2D-BSW多層介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)。研究了多層介質(zhì)薄膜上一維狹縫結(jié)構(gòu)寬度，深度對入射在其上的2D-BSW的反射、透射及模式轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響。并利用嚴格耦合波分析法及頻域有限差分法研究了BSW經(jīng)過狹縫后其反射、透射及模式轉(zhuǎn)換系數(shù)與入射角度之間的關(guān)系。在理論研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，在實驗中合

7、理刻蝕多層介質(zhì)膜上狹縫結(jié)構(gòu)得到了基于2D-BSW的發(fā)射器、反射器、偏振轉(zhuǎn)換器及光學單刀雙擲開關(guān)等二維集成光學中基本組成元件。
　　5.制備了一種金屬-介質(zhì)復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)即等離子體耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。與多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)相似，可支持兩種偏振態(tài)模式。利用轉(zhuǎn)移矩陣法，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對模式及其場分布進行調(diào)控。在實驗中實現(xiàn)兩種模式同時激發(fā)，并利用兩種模式的場分別激發(fā)相應(yīng)位置熒光。同時利用電動液晶片與偏振器，實現(xiàn)兩種偏振模式選擇性激發(fā)，從而控制兩

8、種模式場選擇性激發(fā)熒光信號，實現(xiàn)樣品表面和體相中熒光選擇性成像。
　　本論文的創(chuàng)新點主要包括:
　　1.提出一維布洛赫表面波模式這一新物理概念，利用多層介質(zhì)膜與聚合物納米纖維復(fù)合，解決了極細聚合物納米纖維在普通玻璃基底上無法傳光的技術(shù)難題。對聚合物納米纖維進行化學修飾，實現(xiàn)了不同波長熒光信號的同時激發(fā)。
　　2.提出并實現(xiàn)了多層介質(zhì)膜與交叉耦合光柵結(jié)構(gòu)下液相或空氣環(huán)境中無衍射BSW，利用后焦面技術(shù)證明了無衍射BSW生成

9、原理，進一步驗證了無衍射BSW經(jīng)過多個障礙物后仍能自修復(fù)。
　　3.提出并實現(xiàn)了銀納米線代替光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液相環(huán)境中布洛赫表面波的激發(fā)、傳輸及聚焦效果。利用空間光調(diào)制器對激發(fā)光場位相信息調(diào)控，首次實現(xiàn)了動態(tài)、可重構(gòu)的二維布洛赫表面波。
　　4.提出并實現(xiàn)了用一維狹縫結(jié)構(gòu)操控二維布洛赫表面波，研究了二維布洛赫表面波的全反射、分束及模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。實驗中首次實現(xiàn)了橫電模和橫磁模布洛赫表面波互相轉(zhuǎn)換，觀測到反射角與入射角不等的異常反