基于表面等离激元的微纳光器件及拉曼增强基底研究

发布时间：2020-06-05 16:58

【摘要】：材料本身和衍射极限问题限制了传统光学器件的微型化和集成化应用。表面等离激元的出现,为微纳米尺寸下实现光的操控提供了可能。表面等离激元是在光激发下金属纳米结构中的自由电子气集体振荡,既可以突破光学衍射极限,又能实现局域场的高度集中。本文基于表面等离激元突破衍射极限的性质,设计了一种石墨烯夹层长程等离子波导结构。在此基础上,提出了多层石墨烯聚合波导TM偏振器。与此同时,利用表面等离激元的局域电场增强特性,设计了新型Au纳米立方体表面增强拉曼散射(SERS)基底。最后对金属纳米结构的局域电场增强进行了研究。首先,本文对二维材料石墨烯的光学参数与费米能级之间的变化关系作了系统分析。通过外加电压或者掺杂等手段调节其费米能级来实现石墨烯光学性质的变化,当费米能级满足一定条件时,石墨烯表现出金属材料的性质,能够支持等离激元。在此基础上,设计了基于石墨烯材料的等离激元波导,并分析了缓冲层厚度、介质脊宽度及介质脊高度对于模式有效折射率、衰减常数、模式宽度、品质因子等物理参数的影响,实现了波导几何结构尺寸的优化。此外,当两个相同的波导逐渐靠近时,其可以产生耦合作用,构成定向耦合器。并分析了耦合器的耦合长度与波导间距的关系。然后,利用石墨烯光电效应,在石墨烯夹层波导的基础上,研究了多层石墨烯聚合物波导,并用这种结构设计了一种光学器件:TM偏振器。偏振器由介质脊中插入多层石墨烯及氮化硅构成。经过结构优化和性能参数分析,进而得到具有宽带宽、高消光比、低插入损耗的光学极化器。基于COMSOL Multiphysics软件,对一些常见的表面增强拉曼散射(SERS)基底进行了电场增强的理论分析。分析了多种Au纳米结构电场增强与激发波长之间的关系,不同金属结构的局域电场增强与入射波长、纳米间隙之间的关系十分密切。发现当金纳米球间距发生变化时,纳米球之间的电场增强因子会发生变化,其共振波长也会发生偏移。不同的金属结构对应的最佳激发波长及变化规律也不同。因此,在实验过程中,应该根据金属结构的不同,选择合适的激发波长以获得最佳的增强效果。此外,对Au纳米棒体结构的电场增强因子与激发方式的关系进行了分析。最后,设计了一种新型金纳米立方体微阵列结构SERS基底,理论分析了粒子间距与激发波长、增强因子之间的关系。理论分析表明,与传统的SERS基底相比,纳米立方体阵列结构的电场增强均匀性很好。
【图文】：

( ) = 2 2 2 2 ( ) = 2 ( 2 2)当 时， ( )为复数，其实部 ( )表示极化强度的大小，虚部 表金属的吸收。当电磁波在金属中传输时，金属的吸收作用会使得光波衰而限制了电磁波传播距离；相反，当 ， ( )为实数。此时，表面等体波能够在金属中无损耗地传播。然而随着电磁波频率的逐渐增加，金属的率能将逐渐变小，宏观上表现出其导电性能变弱，这是由于束缚电荷所致1.2 局域表面等离激元除金属平面之外，纳米结构也可以形成表面等离激元。对于金属纳米颗言，在光波照射下，粒子上的电子云因入射光场的作用而发生集体震动，生表面等离激元。考虑到金属纳米颗粒的粒径只有几十纳米，其尺寸远小于波长，因此金属的趋肤深度可以忽略。此时在金属纳米颗粒表面形成的表面激元也可被称为局域表面等离激元（如图 2-1 所示）。

图 2-2 亚波长颗粒的准静态电学响应在一阶近似条件下，金属球内外的电位函数 ， 可表示为 ( ) = ￡§ (2.16 a ( ) = ￡§ 2 ￡§ (2.16 这里，， = √ ，其中 A 和 B 表示电位函数系数。为了能够求解拉普拉斯方程 = , 和 需要满足以下关系式 ( ) = ( ) (2.17 a = ( ) (2.17 b通过求解式 2.17，可得 A 和 B 分别为 = ( ( ) ) (2.18 = ( ( ) ( ) ) (2.18 b联立式 2.16 和式 2.18，可得 和 分别为 ( ) = ( ) ￡§ (2.19
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O657.37

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 汤文轩;张浩驰;崔铁军;;人工表面等离激元及其在微波频段的应用[J];电子与信息学报;2017年01期

2 刘昶时,施维林;表面等离激元共振生物传感分析及应用[J];光谱实验室;2004年02期

3 高治文，陈丽娜，赵景星，于新，周素琼，谢文章;表面等离激元共振[J];大学物理实验;1994年02期

4 邵磊;阮琦锋;王建方;林海青;;局域表面等离激元[J];物理;2014年05期

5 ;北京大学物理学院聚焦表面等离激元研究取得重要进展[J];北京大学学报(自然科学版);2011年01期

6 ;聚焦表面等离激元研究取得进展[J];光机电信息;2011年01期

7 韩亚娟;张介秋;李勇峰;王甲富;屈绍波;张安学;;基于微波表面等离激元的360°电扫描多波束天线[J];物理学报;2016年14期

8 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

9 孙雪菲;王鹿霞;;分子激发中的表面等离激元增强效应[J];物理学报;2014年09期

10 丁晶新;方银飞;郭超修;杨岚;夏勇;尹亚玲;印建平;;基于表面等离激元场的分子反射镜的理论研究[J];物理学报;2014年21期

相关会议论文 前10条

1 王驰;郑海荣;吴燕妮;李彩霞;;纳米方盘—方框结构的表面等离激元共振特性[A];2015 年（第七届）西部光子学学术会议论文集[C];2015年

2 张兵临;;表面增强喇曼散射的受迫表面等离激元模型[A];第二届全国光散射学术会议论文集（上）[C];1983年

3 黄铁军;汤恒河;谭云华;刘濮鲲;;基于人工表面等离激元的太赫兹超聚焦探针[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C];2017年

4 张超;周永金;王卫宾;杨柳;肖前循;;基于人工局域表面等离激元的微流体乙醇传感器[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C];2017年

5 沈少鑫;单洁洁;陈慧玉;杨明明;赵峰;周勇亮;杨志林;;多模式耦合的表面等离激元增强二次谐波机理研究[A];第十八届全国光散射学术会议摘要文集[C];2015年

6 林洁;路云宁;高韶燕;;利用表面等离激元增强耦合效应实现高灵敏度传感[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年

7 郑斌;杨怡豪;沈炼;陈红胜;;基于超表面的微波表面等离激元控制[A];2018年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2018年

8 陈舒;孟令雁;沈少鑫;赵峰;骆洋;杨志林;;表面等离激元的可控激发及增强光谱研究[A];第十八届全国光散射学术会议摘要文集[C];2015年

9 刘博文;陈舒;姚旭;刘守;杨志林;王磊;任斌;;可灵活调节的表面等离激元结构的性质及其应用[A];第十九届全国光散射学术会议摘要集[C];2017年

10 陈旭东;洪炜;;表面等离激元增强/抑制共轭聚合物发光研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十一分会：π-共轭材料[C];2016年

相关重要报纸文章 前2条

1 记者 李山;德研发出世界首个表面等离激元电路[N];科技日报;2013年

2 刘霞;新型纳米激光探测技术灵敏度高成本低[N];科技日报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 高永潘;表面等离激元及介质腔性质研究[D];北京邮电大学;2018年

2 章可俊;金属纳米颗粒表面等离激元模式的计算模拟研究[D];中国科学技术大学;2018年

3 杨翠;低维金属和石墨烯结构表面等离激元近场性质的研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年

4 付勇;纳米尺度周期性金属结构异常光传输现象的FDTD数值分析[D];山东大学;2008年

5 王依霈;低维金属结构表面等离激元光子学特性及其传感应用[D];浙江大学;2016年

6 任文贞;基于表面等离激元的光伏和传感器件设计与调控[D];中国科学技术大学;2014年

7 罗丝;金属微纳结构表面等离激元特性及荧光增强应用[D];浙江大学;2017年

8 滕达;表面等离激元波导的若干传输特性研究[D];上海大学;2017年

9 谢玉波;表面等离激元纳米光子学中的偏振态研究[D];南京大学;2016年

10 于海超;基于表面等离激元的低损耗半导体纳米激光器研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 史俊贤;薄层金属纳米结构的光学响应特性研究[D];江苏师范大学;2018年

2 游依莎;基于表面等离激元超分辨聚焦研究[D];电子科技大学;2018年

3 杨健华;基于金属—介质—金属波导的表面等离激元器件的研究与设计[D];北京邮电大学;2018年

4 潘子娟;等离激元共振腔的光学调控研究[D];北京邮电大学;2018年

5 蔡可苏;基于表面等离激元的微纳光器件及拉曼增强基底研究[D];兰州大学;2018年

6 李雨彤;功能超表面的结构设计与应用研究[D];北京邮电大学;2018年

7 赵康;基于表面等离激元波导的光学力及光镊的研究[D];北京邮电大学;2018年

8 李彩霞;三维银纳米环结构的表面等离激元共振特性研究[D];陕西师范大学;2017年

9 周怡汐;砷化铟纳米线表面等离激元近场成像研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年

10 张盼;金属纳米缝产生的表面等离激元光学格子及其相位涡旋研究[D];山东师范大学;2017年

本文编号：2698344