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.pdf

1、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(rèn)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

2、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(xì)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(xì)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

3、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)

4、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(dāng)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

5、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