金屬—介質(zhì)混合型光子微納結構光學共振模式性質(zhì)研究.pdf

1、光子微納結構是現(xiàn)今光電子行業(yè)的一個重要研究領域，涉及到光子晶體、表面等離激元（SPP）、超材料等一系列炙手可熱的方向。該研究領域的特點在于可通過對材料結構的設計和仿真實現(xiàn)對電磁波的各種性質(zhì)進行有效調(diào)控。目前為止光子微納結構領域已經(jīng)有了近30年的研究歷史。在這期間，很多問題被一一解決，其巨大的應用前景已經(jīng)受到諸多領域的高度重視。但不可否認現(xiàn)如今依舊有很多問題亟待解決,例如金屬結構中的吸收損耗問題便是其中最突出的問題之一。
　　本論文

2、針對光子微納結構的理論計算、實驗制備以及光譜表征手段進行了一定程度的探討。在此基礎上，我們對周期性金屬—介質(zhì)混合結構所支持的光學共振模式對自發(fā)輻射的調(diào)控進行了深入分析。主要研究成果如下：
　　(1)對傳統(tǒng)的微腔毛細法進行了改進，通過選用合適的小球濃度和銅絲直徑，利用毛細管力和表面張力成功制備了不同直徑單層聚苯乙烯膠體小球晶體，簡化了光子微納結構的制備工藝，降低了制備成本。
　　(2)通過深入的理論分析和光學輔助仿真技術，設計

3、并搭建了宏觀角分辨和顯微角分辨光譜系統(tǒng)，該類設備可以方便快速地測試光子微納結構對特定角度電磁波的響應。特別是顯微系統(tǒng)，它具有角度分辨率高、入射光斑尺寸小，測試過程方便快捷等優(yōu)勢，并可通過一次性拍照方式獲取所研究材料的光子能帶結構和等頻圖。
　　(3)通過數(shù)值計算和角分辨光譜技術研究了平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結構的光學性質(zhì)。結果表明這種周期性金屬—介質(zhì)混合結構同時支持局域在金屬表面的表面等離激元光學共振模式和局域在周期性介質(zhì)

4、內(nèi)部的波導模式，這兩種光學共振模式都具有很好的色散特性，而且在這種混合型結構中表面等離激元模式比傳統(tǒng)的全金屬結構具有更低的傳輸損耗和更長的傳輸距離。這可以為解決傳輸型SPP吸收損耗問題提供一種全新的思路，并可能被用于設計低損耗、高性能的光電子器件。
　　(4)從時間和空間相干性出發(fā)深入研究了光學共振模式對自發(fā)輻射的調(diào)控效應。當發(fā)光體的空間分布和波長與平金屬表面覆蓋周期性二維膠體小球結構中表面共振模式相吻合時，成功利用漏模對自發(fā)輻射

5、的強度、方向、時間壽命、空間相干性進行了有效地調(diào)控。研究表明該結構可以在對發(fā)光強度影響較小的情況下，通過電磁場與表面模式的弱耦合作用將一個非相干光源轉換成部分相干光源。這種獲得相干光源的方法將在光學成像，光學傳感等諸多方面產(chǎn)生積極影響。
　　(5)以平金屬表面覆蓋周期性膠體小球結構為基礎，利用FDTD算法研究了該結構所表現(xiàn)出來的一些新奇的光學性質(zhì)。理論研究表明這種混合結構對壓應力異常敏感，為基于SPP的壓力傳感器件的設計提供了一種