非周期金屬納米縫-槽結構的透射特性研究.pdf

1、近年來,表面等離子體光學成為世界范圍的研究熱點。利用金屬-介質界面上所激發(fā)的表面等離子體激元可以沿界面?zhèn)鞑ズ透叨染钟蛟诮饘俦砻娴奶匦?通過在金屬上做納米結構的手段,可以達到在納米尺度上操縱和控制光子的目的。這種金屬納米器件相比于傳統光子學器件具有體積小、集成度高、速度快等優(yōu)點,在光輻射、光探測、光傳感、光成像、生物醫(yī)學、太陽能電池,以及表面增強拉曼光譜等多方面發(fā)揮了很大的作用并有著廣泛的應用前景。因此,深入探尋表面等離子體波與金屬結構的

2、相互作用以及設計開發(fā)多功能的納米器件成為表面等離子體光學研究的主要方向。金屬表面等離子體納米結構的主要特征現象之一為光的透射增強現象,目前一般認為表面等離子體激元的激發(fā)是其主要原因,但其準確的物理機制還存有爭論。
　　本論文利用自主編寫的時域有限差分的計算程序,研究了由金屬狹縫以及金屬凹槽構成的多種非周期納米結構的透射性質。由于狹縫與凹槽結構的簡單性,有利于我們對其物理機制的研究,并通過合理的設計,達到了不同的透射效果。具體內容如

3、下:
　　研究了由簡單單縫和正方漏斗形單縫所組成的非對稱金屬納米雙縫結構在透射面上的干涉效應。與傳統對稱楊氏雙縫相比,在透射面上觀察到了兩種不同類型的干涉條紋圖案,并且其近場透射能量得到了大幅提高,達到相應對稱雙縫結構的3倍。不同類型的干涉條紋可以通過變化出口層的厚度進行靈活地調節(jié)。通過對干涉條紋的擬合,得到了兩個不同狹縫各自激起的表面等離子波和準柱面波的振幅和相位。發(fā)現即使在金屬與介質的界面存在拐角,表面等離子體波依然會沿其界面

4、爬行。同時發(fā)現直接透過光與激起的表面等離子體波之間存在一個π的相位改變,并對各種現象作出了仔細的分析及合適的解釋。
　　研究了與收集腔耦合的對稱金屬納米雙縫的近場干涉性質。在出口面上觀察到了不同類型的干涉條紋,并且干涉條紋的強度峰值比無收集腔出現時的傳統雙縫提高了一倍。通過與簡單單縫對比,說明了對稱雙縫與收集器各自的共振狀態(tài),并詳細分析了各自的共振狀態(tài)與兩者間發(fā)生耦合效應強弱的關系。研究發(fā)現當雙縫共振時,將與收集腔發(fā)生相長耦合,透

5、射能量達到最大值。提出了靈活調控近場干涉條紋的新方法。
　　研究了光通過帶有凹槽缺陷的水平納米天線與垂直金屬納米狹縫耦合后的透射性質。通過變換金屬天線中凹槽的深度或位置,其整體光學透射率可以實現從0到出現透射增強現象的很大范圍內的調節(jié)。帶有凹槽缺陷的水平納米天線與垂直金屬納米狹縫的入口面之間形成了一個窄的水平腔。發(fā)現當凹槽和垂直納米狹縫的共振狀態(tài)相同時,對水平腔中的模式分布有相類似的影響,并且整體結構的透射率極值可通過三個不同位置

6、處的磁場極值組合來預測。指出了調控耦合輸出的新方法。
　　研究了在兩種不同偏振(S偏振和 P偏振)入射下,金屬狹縫與兩側周期性凹槽結構的透射性質。通過在整個結構上方覆蓋一薄介質層的方法,使原本無透射增強現象的 S偏振光也達到了透射增強的效果。并且通過仔細調節(jié)結構參數,實現了在同一波長下兩種不同偏振的同時透射增強效果。分析了兩種不同偏振下透射增強的不同物理機制:對于 S偏振入射情況,上方介質薄層可被看為中間一個水平腔,兩側各圍繞著一

7、個布拉格鏡,這時是介質波導模的局域造成了透射增強;而對 P偏振入射情況,是表面等離子體波的存在造成了透射增強現象,當表面等離子體波在每個周期及中間腔中同時發(fā)生共振時,透射率達到最大值。此工作為實現不依賴偏振的微納器件設計提供了新思路。
　　提出了一種同時具有小的傳感體積,超高輸出,高分辨,高敏感度特性的納米傳感器的設計方案。這種傳感器由中間一個納米狹縫兩側圍繞周期性凹槽所構成。這種折射率傳感器在寬譜范圍內僅出現一個共振峰,通過對這