基于表面等离激元的金属纳米结构光增强透射研究及应用

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表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)是在入射磁场的作用下,通常在电介质和金属之间的界面处,受约束电子在原子核外的集体受迫运动。SPs的两种重要形式分别为表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)和局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)。SPPs是指传播模式的SPs,通常在平面金属和介质材料之间的界面处发生。而LSP是指局域模式的SPs,通常在外场和单个金属纳米粒子的作用下发生。SPPs和LSP的能量相似时,可增强金属纳米孔结构的透射。越复杂的金属纳米结构在光的照射下透射光谱和电场分布可呈现更多的透射特性,在本文中,使用COMSOL Multiphysics软件进行了两种金属结构的光增强透射理论和应用研究。本文主要内容分为以下两个方面:(1)首先,本文构思了一种新颖的金属Y形孔阵列,研究其在亚波长领域的光增强透射现象及在折射率传感器上的应用。研究结果发现这种Y型金属纳米孔结构在0.6mm1.2mm范围内可提供极强的电场和超强的透射率,其中拐角处的电场分布尤为明显。结构参数如偏转角度,宽度,厚度,周期,折射率都对透射特性造成了一定影响,其中偏转角度对透射特性的影响特别明显。当偏转角度q越大,透射系数会明显增加。0.67mm波长处的透射率从0.558增加到0.628,1.08mm波长处的透射率0.289在1.17mm处增加到0.840。通过把折射率n以0.04 RIU的步长从1增加到1.2的方式来研究其对透射特性造成的影响,两种模式下的折射率传感的灵敏度分别为900nm/RIU和350nm/RIU。根据检测分辨率的定义,两种模式的检测分辨率分别为.222′10-4RIU和.571′10-4RIU。这种光增强透射特性和高灵敏度特性有益于设计出具有高灵敏度的纳米折射率传感器和带通滤波器,并对生物传感器的应用有一定的参考价值。(2)本文还设计了一种菱形孔周期性银膜阵列以实现非共振增强透射。单元尺寸的菱形孔位置关系分为相交,相切,相离三种状态。光照射到菱形孔结构时,将相邻菱形孔边界距离S从-9 nm增加到9 nm,依次经历了相交,相切,相离状态。相应的透射系数降低,电场分布从菱形孔尖端的强激发电场变为主要分布在菱形孔边缘和周围的电场,说明相交时的透射系数比相离时透射系数高很多。研究结果表明菱形孔周期性银膜阵列可以实现5mm-20mm波长范围内的的宽频透射,并且相邻菱形孔边界距离S、宽度L、横向周期P、纵向周期H四个结构参数与光的透射特性强烈相关,这种结构对设计实现宽频透射的器件具有重要意义。
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