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基于光子晶体辅助的锥形结构表面等离子体激元的研究

作　者: 董广才
导　师: 苏雪梅
学　校: 吉林大学
专　业: 光学
关键词: 表面等离子体激元光子晶体径向偏振光源
分类号: TN256
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

如今微纳光电子学的发展达到了很快的速度,但由于电磁波的波长相对于微纳尺寸的结构要高数百个数量级,如何将电磁波限制在微纳结构上,以提高光器件的集成度,是人们需要解决的问题,表面等离子体激元的应用迎合了这一问题,这是由于表面等离子体激元的传播具有能够将电磁波限制在结构表面的特殊性质。尤其对于微纳尺寸的锥形结构,可以在尖端产生很好的电磁波汇聚效果,能够将光束汇聚到比光波长小几个数量级的区域,产生较强的电磁场,突破了传统光学的衍射极限。因而锥形结构的表面等离子体激元将在成像,光刻,集成光器件制作,数据存储,生物探测,以及医疗上有广泛应用[1-2]。然而目前的单一微纳圆锥结构虽然能够在尖端产生比较强的汇聚效果,但使用平面波光源激发时,在尖端周围比较大的范围内都会有电磁场分布,从而影响了整体的效果。我们设计了一种由光子晶体辅助的结构,能够有效降低尖端周围的电磁场分布。同时我们也探讨了使用径向偏振光源以达到比平面波激发更好的耦合和局域。在第一部分中,我们分析了表面等离子体激元的含义以及应用,分别对无限大界面处的表面等离子体激元和微纳尺寸金属结构表面上的局域化的表面等离子体激元进行了介绍。对于无限大界面处的表面等离子体激元,经过推导,可以得到色散曲线在普通光纤的右侧,因此需要通过特殊的方法进行耦合产生,如电子束激发,棱镜耦合和单个或周期性凸起或者凹陷耦合。对于微纳金属结构表面上的局域化的表面等离子体激元,由于弯曲表面的存在,自然产生了对于金属电子的回复力,因此能够产生共振,这也使得直接的光照射来激发成为可能。表面等离子体激元的应用很广泛,比如利用SPR技术进行生物化学分析检测,或者通过对癌症患者注射包有抗体的金属纳米颗粒来进行治疗,还比如可以利用于太阳能电池的制作中。在第二部分中,我们对光子晶体的特性和应用进行了探讨,因为我们提出的这种结构中含有光子晶体,有必要对光子晶体的特性进行分析,同时我们也介绍了我们利用光子晶体完成的增强热辐射和增强自发辐射的研究。光子晶体是一种介电常数在空间具有周期性变化的微结构,与传统电子能带非常相似,如果将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列,其中传播的光波的色散曲线将成带状分布。有非常陡峭的正斜率的色散曲线区域或者负斜率的色散曲线区域,这种区域可以用来做负折射。还有比较平坦的色散曲线区域,这种区域可以用来做光速减慢。由于光子晶体禁带两侧有较大的态密度,将光子晶体镀上金属膜层之后来控制热辐射,可以有效地提高热辐射的发射效率。由于研究的三维金属光子晶体在光子晶体平面方向具有周期性的特点,而在沿柱轴线方向是有限的,因此对于这种结构的热辐射的模拟比较适合使用散射矩阵的方法,这种方法在处理有吸收也就是介电常数带有虚部的结构方面比传输矩阵方法准确。由于光子晶体具有特性,可以加以利用来提高自发辐射,我们通过散射矩阵方法,平面波展开方法以及时域有限差分法进行了理论计算,所得到的结果和实验一致。在第三部分中,我们模拟仿真并讨论了微纳尺寸圆柱和圆锥结构表面上的局域化的表面等离子激元。在1994年, Kawata等人提出使用金属尖状结构进行近场的探测光谱(Near-field Scanning Optical Microscopy)。这一想法被使用在尖端拉曼增强光谱上。Nie和Emory报道了使用单一或者聚集的金属颗粒的分子吸收拉曼散射信号增强系数为10的14到15次方。在这里,我们使用银作为金属,并使用洛仑兹模型,我们对微纳圆柱的表面等离子体激元的模式以及平面波和点光源激发的不同结果进行了讨论,发现其模式与普通结构的共振不同,同时发现对于平面波激发时,由于左右两侧的相位不同,在汇聚到顶端时会产生相反的干涉,影响局域。在第四部分中,我们模拟仿真并讨论了光子晶体辅助的锥形结构表面等离子体激元。我们设计了一种由光子晶体辅助的锥形结构,由光子晶体,金属锥形结构,光纤或者微纳金属结构组成,能够有效降低周围的电磁场分布。同时我们也探讨了使用径向偏振光源以达到比平面波激发可以得到的更好的耦合和局域。我们分析了提出的结构的各个组成部分的性能。并在构筑结构之后,比较了平面波和点光源激发时所得到的不同结果。发现这种结构能够有效降低锥形顶端周围的电磁场分布,同时也发现径向偏振光源对于在这种结构中激发表面等离子体激元和汇聚局域比普遍使用的平面波效果较好。对于光纤耦合形成径向偏振光源,我们使用两个LP01,模式进行耦合,而对于金属圆柱表面等离子体激元耦合形成径向偏振光源,我们只需要在缺陷下放置合适的金属圆柱即可。我们采用平板上有周期性孔洞的光子晶体,这种光子晶体是由均匀Si3N4材料上构造上周期性孔状结构,之后去掉中间的孔,形成缺陷。由于电磁波比较喜欢在折射率高的地方传播,我们只需要寻找合适的光子晶体参数,之后考虑到发射性场分布的模式具有很高的对称性,应该在低频率的位置出现,我们在具有低频率的模式中寻找这种径向的模式。可以观察到,发散性场分布模式的电磁波作激发光源时能够得到很好的汇聚和局域效果。并且这种激发光在尖端汇聚的场分布有很好的对称性,这对于下一步的与探测物质的耦合有利。从光子晶体中的场分布,我们也可以看到耦合入光子晶体缺陷模式的效果也很好。我们也对同一结构但是平面波激发时的情况进行模拟仿真,用以和径向偏振光源激发的效果进行比较,可以明显看出,使用平面波激发时,场分布于径向偏振光源激发时是不同的,而且在尖端局域效果不好,但是光子晶体对于平面波的阻挡作用还是可以看出来的。同时也可以看出,平面波在耦合入光子晶体缺陷模式的效果差。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 等离子体及表面等离子体激元  12-17
  1.2 无限大界面处表面等离子体激元的激发和应用  17-20
    1.2.1 无限大界面处表面等离子体激元的激发  17-19
    1.2.2 无限大界面处表面等离子体激元的应用  19-20
  1.3 局域化表面等离子体激元的含义和应用  20-23
    1.3.1 微纳尺度结构表面等离子体激元的含义  20-22
    1.3.2 微纳尺度结构表面等离子体激元的应用  22-23
  1.4 本论文主要内容  23-24
第二章利用光子晶体增强热辐射和自发辐射  24-37
  2.1 光子晶体的概念,特性,模式及其应用  24-26
    2.1.1 光子晶体的概念,特性和模式  24-25
    2.1.2 光子晶体的应用  25-26
  2.2 利用光子晶体进行热辐射增强  26-31
    2.2.1 散射矩阵方法(Scattering Matrix Method)  26-28
    2.2.2 热辐射增强的理论模拟仿真  28-31
  2.3 利用光子晶体进行自发辐射增强  31-37
    2.3.1 平面波展开方法  31-32
    2.3.2 时域有限差分法(FDTD)  32-33
    2.3.3 利用光子晶体进行自发辐射增强  33-37
第三章圆柱形与圆锥形表面等离子体激元的模拟仿真  37-61
  3.1 圆柱形微纳结构表面等离子体激元的模式和特性  37-49
    3.1.1 点光源的性质  37-39
    3.1.2 圆柱形微纳结构表面等离子体激元的模式和特性  39-49
  3.2 圆锥形微纳结构表面等离子体激元的理论和模拟仿真  49-61
第四章光子晶体辅助的锥形结构表面等离子体激元仿真  61-73
  4.1 傍轴近似计算方法(BPM)  61-62
  4.2 光子晶体辅助的锥形结构表面等离子体激元  62-73
第五章论文总结  73-76
参考文献  76-80
作者在学期间论文发表情况  80-81
致谢  81

基于光子晶体辅助的锥形结构表面等离子体激元的研究

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