玻璃基金属纳米阵列结构的光学特性及表征研究

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本论文的研究工作来源于江苏省自然科学高校自然科学研究重大项目(12KJA480001)。  由于金属表面等离子体共振吸收效应,长粒状金属纳米颗粒对沿不同方向振动的光波具有选择吸收性,将长粒状金属颗粒定向分布于玻璃基体中形成的玻璃基金属纳米阵列结构则会呈现出优异的光学特性尤其是偏光特性,在光通信、光检测、光显示等领域具有巨大的应用前景和研究价值。本论文就玻璃基金属纳米阵列结构的光学特性及表征展开了以下研究工作:  理论方面,本论文首先建立了玻璃基金属纳米阵列结构的三维理论模型,采用FDTD算法模拟计算了可见-红外波段内不同结构模型的透射光谱和消光光谱,总结了纳米颗粒的体积、长径比、占空比、数量、材料、分布方式与金属纳米阵列结构光学特性之间的联系。在此基础上,最后设计了几种性能优异的微纳光学器件结构,计算结果表明,所提出的结构设计在650~1100nm波段范围内,透过率大于87%,消光比大于40dB;在1500~1600nm波段范围内,透过率大于96.7%,消光比大于57dB。  实验方面,首先制备了银掺杂基础玻璃,搭建了光热处理和热轧处理实验装置,分析研究了光热处理条件的改变对玻璃样品的影响。在此基础上,利用二次光热还原法制备了玻璃基银纳米阵列结构,对应的制备流程如下:1.室温条件下初次紫外曝光1min;2.初次热处理460℃/30min+520℃/30min;3.540℃高温条件下二次紫外曝光15min;4.二次热处理540℃/2 hours。同时对制备过程中玻璃颜色、透过率及形貌的变化进行了表征,所制备的样品呈黄色,在420nm处出现了银纳米颗粒的本征吸收峰,银纳米颗粒直径大小约为300nm,形状为球形。最后测试了玻璃基银纳米阵列结构的光学特性,测试结果表明,玻璃基银纳米阵列结构在红外波段的透过率大于90%,激光损伤阈值为6.9J/cm2,经热轧处理后在500~1600nm波段范围内呈现出各向异性吸收特性。
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