基于LSPR受激輻射放大的金屬—介質(zhì)納米激光器及其特性研究.pdf

1、在金屬—介質(zhì)納米系統(tǒng)中，適量的將增益材料摻雜入介質(zhì)中，可以有效的對金屬LSPR的能量損耗進(jìn)行補(bǔ)償并進(jìn)一步形成LSPR的放大輸出，即表面等離子體受激輻射放大（Surface Plasmon（SP）Amplification by Stimulated Emission of Radiation，SPASER），并使金屬—介質(zhì)納米系統(tǒng)的光學(xué)吸收和散射特性得到極大程度上的改變。
　　由于金屬—介質(zhì)納米系統(tǒng)SPASER在光學(xué)特性上具備強(qiáng)烈

2、的能量增強(qiáng)與散射特性，將其應(yīng)用于納米激光器方面的相關(guān)研究已經(jīng)越來越得到人們的重視，不同結(jié)構(gòu)的SPASER系統(tǒng)也已經(jīng)得到了理論上的提出與實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，但是對于SPASER系統(tǒng)的改進(jìn)與性能提高仍為目前的研究熱點(diǎn)。
　　在本文中，我們提出了幾種不同的金屬—介質(zhì)SPASER納米系統(tǒng)并對其進(jìn)行了細(xì)致的理論模擬與分析，同時(shí)也探討了將SPASER納米天線用于表面拉曼增強(qiáng)散射（SERS）的有效單分子探測中。因此，本文共分為五章對其進(jìn)行了詳細(xì)討論。

3、
　　第一章，介紹了金屬—介質(zhì)納米系統(tǒng) SPASER的提出以及 SPASER原理的基本物理機(jī)理，并詳細(xì)描述了最近關(guān)于它們的研究進(jìn)展、理論和實(shí)驗(yàn)上所提出的相關(guān)結(jié)構(gòu)及其 LSPR受激輻射放大后的光學(xué)輻射特征等，并介紹了國內(nèi)外研究的方法。并且給出了本論文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，提出了二氧化硅—金—二氧化硅三層納米殼SPASER結(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了其光學(xué)特性。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在二氧化硅中摻雜入適量的增益材料以建立起穩(wěn)定運(yùn)作的SPASE

4、R時(shí)，其光學(xué)吸收和散射特性發(fā)生了相對于非SPASER來說明顯的變化；尤其是其散射截面得到了5—6個(gè)數(shù)量級的增強(qiáng)。同時(shí)，進(jìn)一步改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)，其光學(xué)特性也可以繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，散射的增強(qiáng)特性也得到了進(jìn)一步的提高。我們從表面等離子體雜化理論，淬滅效應(yīng)和SPASER機(jī)制出發(fā)，分別對這些現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
　　第三章，改進(jìn)了第二章所提出的三層納米殼SPASER結(jié)構(gòu)，使其二氧化硅內(nèi)核具有一定的偏心度，從而實(shí)現(xiàn)了多波長的LSPR受激輻射放大輸出，也

5、即實(shí)現(xiàn)了多波長納米激光器。此外，我們也研究了入射激發(fā)光的偏振對其輸出特性的影響，我們發(fā)現(xiàn)，在僅改變?nèi)肷涔馄穸粚ζ浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，便可以在一定范圍內(nèi)控制其輸出波長以及輸出強(qiáng)度。
　　第四章，提出了領(lǐng)結(jié)型SPASER納米天線結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了其LSPR受激輻射放大所產(chǎn)生的高局域電場增強(qiáng)可以有效的應(yīng)用于SERS單分子探測中。我們發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)結(jié)型納米天線所具有將“熱點(diǎn)”區(qū)域和“尖端效應(yīng)”相結(jié)合的優(yōu)勢，將SPASER機(jī)制引入該系統(tǒng)后，不僅可

6、以進(jìn)一步放大原有的LSPR增強(qiáng)效應(yīng)，更可以在整個(gè)表面均形成較強(qiáng)電場強(qiáng)度的覆蓋現(xiàn)象，因此，將領(lǐng)結(jié)型SPASER納米天線應(yīng)用于SERS單分子探測中具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　第五章，對前文所做工作進(jìn)行了總結(jié)，并對其潛在應(yīng)用做出了展望。
　　總之，本文提出的金屬-介質(zhì)SPASER系統(tǒng)及對它們的理論分析為金屬-介質(zhì)系統(tǒng)的納米激光器和納米光學(xué)天線的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供了理論依據(jù)，同時(shí)對研究和探索其中的LSPR受激輻射放大特性也具有一定的