【摘 要】
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现如今,等离激元光学已经成为非常有前景的、涉及多个学科交叉的研究领域和技术前沿。随着微纳加工技术和化学合成技术的不断发展,人们可以在纳米尺度上对结构的组成单元、几何参数和空间分布进行调控。在复杂的等离激元微纳结构中,等离激元谐振模式会同结构或谐振腔内的其它光学模式相互耦合形成新的谐振模式。通过对结构的设计和对参数的定向优化,这些谐振模式会具有更加新颖的光学效应和共振特性。例如,更低的损耗,更强的局
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现如今,等离激元光学已经成为非常有前景的、涉及多个学科交叉的研究领域和技术前沿。随着微纳加工技术和化学合成技术的不断发展,人们可以在纳米尺度上对结构的组成单元、几何参数和空间分布进行调控。在复杂的等离激元微纳结构中,等离激元谐振模式会同结构或谐振腔内的其它光学模式相互耦合形成新的谐振模式。通过对结构的设计和对参数的定向优化,这些谐振模式会具有更加新颖的光学效应和共振特性。例如,更低的损耗,更强的局域场增强效应,更好的偏振特性,更广泛的调谐性等等。在本文中,我们设计和制备了多种不同的微纳结构,并对其中的光学特性和耦合效应进行了详细的阐述。这些都极大的拓宽了等离激元结构的应用性,为实现高度集成的纳米光子器件奠定了基础。本论文所有章节都可以归属于一个主题:金属/介质微纳结构中的等离激元模式和光学模式相互耦合形成的谐振模式及其对结构内发光物质(如染料分子)光致发光的增强与调控。本论文主要的研究内容如下:(1)设计了一种稀疏的Ag纳米球阵列结构,通过数值模拟分析阐述了结构对散射损耗的再利用,及由此引起的场增强机制,研究了其中场增强特性可调谐性,揭示了场增强同结构晶格参数的相关性。在此基础上,通过设计矩形晶格常数的纳米球阵列,验证了结构中各向异性的偏振特性。这将为新型光学器件的设计和开发提供新的思路和解决方案。(2)通过真空热蒸发制备了较薄Ag膜并对其作退火处理,制备了大面积均匀、平均粒径可调、随机分布的Ag纳米粒子样品。然后在此基础上,制备了一个以随机分布的Ag纳米粒子作为一个端镜的Farby-Perot腔结构。通过对结构中Ag纳米粒子的局域化等离激元模式和F-P腔0th模式的共振耦合特性的探究,发现了所形成的耦合谐振模式具有更强的场束缚能力和共振调谐性。当在腔内加入染料分子后,观测到其光致发光强度有了显著增强,同时结构中的耦合共振也使腔内的染料分子表现出很强的自吸收特性,从而使其光致发光谱形发生了显著的红移。(3)设计并制备了一种基于金属光栅表面混合模等离激元波导模式的分布反馈式谐振结构,分析了结构中的等离激元模式同波导模式之间的相互耦合方式。通过对结构参数的优化,获得了同数值模拟结果非常接近、具有高品质因子的分布反馈式谐振结构。在结构的低折射率介质层中加入不同种类的染料分子后,在连续DPSS二级管激光的泵浦下,探究了一阶和二阶分布反馈式谐振模式的发光特性。在测试中,获得了发光峰为710nm,发光谱半高全宽为6.1nm,阈值小于170W/cm2,端面发射的自发辐射的光放大,并验证了发光峰值同结构周期的依赖性。(4)在紫外全息曝光光刻工艺的基础上,设计并制备了具有多重谐振光栅特性的复合金属光栅。通过数值模拟,展示了结构中电磁场的分布,解释了复合光栅的原理机制,阐述了光栅结构表面轮廓对复合结构谐振特性的影响。在实验上,经过多次对曝光、显影参数的优化,成功制备出设计的结构,验证了复合金属光栅中的多重谐振特性。为设计非线性光学中各种潜在应用和操控、增强光与物质相互作用方面提供了一个新的途径。
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