金屬納米周期結(jié)構(gòu)表面等離子體及光學(xué)性能調(diào)控研究.pdf

1、表面等離子體激元(Surface plasmon polarization，SPPs)或稱表面等離子體(Surface plasmon，SPs)是由金屬表面自由電子和光子相互作用形成的倏逝波?；诒砻娴入x子體的各種納米光子器件被認(rèn)為是當(dāng)今最有希望實現(xiàn)納米全光集成回路的基礎(chǔ)。亞波長金屬納米結(jié)構(gòu)是激發(fā)和控制表面等離子體的主要結(jié)構(gòu)，有效激發(fā)表面等離子體的金屬納米光子器件不僅能改善傳統(tǒng)器件的性能，而且會產(chǎn)生一些新奇的物理現(xiàn)象和實現(xiàn)新的器件功能。

2、
　　 本文采用時域有限差分法(FDTD)，結(jié)合表面等離子體亞波長光學(xué)及電磁場相關(guān)理論，研究了金屬周期性納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，通過構(gòu)造不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析表面等離子體共振的基本調(diào)控機制和物理機理，發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象，豐富了亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)手段，并探索可能產(chǎn)生的新應(yīng)用。本論文主要研究工作如下:
　　 1、研究了由兩層金薄膜上打有周期性傾斜狹縫陣列的亞波長金屬周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及表面等離子體特性。比較了兩層狹縫同軸和不同軸

3、（即狹縫間有側(cè)向位移）兩種情況的光學(xué)性能的異同，分析了雙層亞波長金屬狹縫陣列的兩種不同透射共振模式（表面等離子體共振模和局域波導(dǎo)共振模式），分別通過改變傾斜狹縫的側(cè)向位移、薄膜間距、薄膜厚度、狹縫寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來考察此結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能及表面等離子體激元耦合情況的變化。隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，兩種模式的共振峰變化規(guī)律不同，分別出現(xiàn)藍(lán)移、紅移、分裂、合并、增強、衰減等現(xiàn)象。模擬結(jié)果可以為設(shè)計金屬狹縫光學(xué)器件及掃描近場光學(xué)顯微鏡等光學(xué)器件提供理論指

4、導(dǎo)。
　　 2、探討了亞波長金屬周期性矩形狹縫陣列-薄膜體系和傾斜狹縫陣列-薄膜體系的表面等離子體及光學(xué)性能。與單層周期性亞波長矩形狹縫比較，矩形狹縫陣列-薄膜體系出現(xiàn)了更多的透射峰，同時，在這些透射峰之間透射極小，幾乎全部是光學(xué)禁帶，證明組合系統(tǒng)比單一的打孔薄膜擁有更優(yōu)秀的濾波和頻率選擇特征。此結(jié)果可以考慮做為光學(xué)濾波器、選頻器件方面的應(yīng)用。比較了單層傾斜狹縫陣列和傾斜狹縫陣列-薄膜體系的光學(xué)特性，分析了各種結(jié)構(gòu)因子對此類型復(fù)

5、合結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的調(diào)控作用。結(jié)果表明復(fù)合體系要比單一納米結(jié)構(gòu)具有更多的等離子體模式，且復(fù)合結(jié)構(gòu)體系比單一結(jié)構(gòu)具有更多的可調(diào)控因子，便于人們對電磁波進(jìn)行操控。
　　 3、分析了金屬納米粒子陣列的光學(xué)及表面等離子體特性。在共軸納米球殼陣列中，對不同球殼厚度、球殼尺寸和粒子間距下進(jìn)行理論計算，并且給出了不同共振峰的場分布模式，發(fā)現(xiàn)低能量峰主要起源于球等離子體耦合，而高能量峰來源于球和腔兩者的等離子體耦合。寬光子禁帶的出現(xiàn)以及近場增強效應(yīng)

6、可以用來設(shè)計帶寬濾通器及生物傳感器等。研究了非同軸的金納米管陣列，發(fā)現(xiàn)非同軸金納米管陣列的光學(xué)特性能夠被中心偏移值、管的尺寸、管間距離和納米管厚度所調(diào)制。另外，基于瞬時電場分布模式討論了納米管陣列的等離子體激元共振的多極性質(zhì)。研究結(jié)果對于設(shè)計新型光子器件有重要的指導(dǎo)作用。
　　 4、研究了含介質(zhì)的金納米球殼陣列及含缺陷的金納米管陣列。發(fā)現(xiàn)核介電常數(shù)ε1、周圍環(huán)境介電常數(shù)￡2的增加導(dǎo)致透射譜的紅移。利用金屬納米粒子對周圍介質(zhì)環(huán)境高