金屬納米縫產(chǎn)生的表面等離激元光學(xué)格子及其相位渦旋研究.pdf

1、表面等離激元(SPPs)是指被局域在金屬/介質(zhì)表面的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?，是由金屬表面自由振?dòng)的電子和光子相互作用耦合而成的混合激發(fā)態(tài)。表面等離激元是一種倏逝波，其獨(dú)特的性質(zhì)引起了人們?cè)诒砻娴入x激元聚焦、渦旋以及光場(chǎng)調(diào)控等方面廣泛的研究興趣。尤其是近年來(lái)，關(guān)于表面等離激元光場(chǎng)操控方面的研究很熱，現(xiàn)在對(duì)于用納米縫、孔等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些簡(jiǎn)單的光場(chǎng)圖樣和渦旋的研究已經(jīng)發(fā)展的較為成熟了。但由于金屬納米縫激發(fā)表面等離激元在激發(fā)效率和探測(cè)光場(chǎng)方

2、法方面的限制，以及現(xiàn)有理論的局限性，對(duì)于設(shè)計(jì)產(chǎn)生一些特定的光場(chǎng)圖樣和高階相位渦旋仍然存在難度，需要進(jìn)一步深入地展開(kāi)研究。
　　在本論文中，我們通過(guò)利用惠更斯-菲涅耳原理和散射成像法，以及時(shí)域有限差分法(FDTD solutions)等計(jì)算機(jī)工具軟件開(kāi)展了對(duì)金屬納米縫產(chǎn)生表面等離激元光學(xué)格子及其相位渦旋做了研究。我們?cè)O(shè)計(jì)了沿螺旋線排列的具有不同段數(shù)的弧縫樣品，在理論上我們根據(jù)已有的金屬縫結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離激元光場(chǎng)參數(shù)并結(jié)合惠更斯-菲涅

3、耳原理，推導(dǎo)出了樣品縫激發(fā)的表面等離激元場(chǎng)的表達(dá)式，并以此為理論基礎(chǔ)計(jì)算得出了樣品產(chǎn)生的光場(chǎng)圖樣。實(shí)驗(yàn)上我們搭建了馬赫-增德?tīng)柛缮嫦到y(tǒng)用散射顯微成像法收集樣品激發(fā)的表面等離激元場(chǎng)并用SCOMS記錄形成的光場(chǎng)圖樣，產(chǎn)生的散射表面等離激元場(chǎng)與參考光相干涉，通過(guò)傅里葉變換的方法從得到的干涉條紋中提取出光場(chǎng)信息，得到了不同的光學(xué)格子圖樣，并且我們通過(guò)構(gòu)建樣品狀結(jié)構(gòu)的衍射模型，分析了格子產(chǎn)生的機(jī)理。我們?cè)O(shè)計(jì)了不同拓?fù)浜芍档臉悠?，利用入射光和金屬納

4、米縫的相互作用，通過(guò)FDTD solutions計(jì)算產(chǎn)生了高階渦旋格子。本論文的主要內(nèi)容由以下五部分組成。第一部分是緒論，我們介紹了表面等離激元的研究背景；并討論了表面等離激元的理論波方程；得出了表面等離激元的幾個(gè)特征參量及其表達(dá)式和色散曲線關(guān)系；介紹了表面等離激元實(shí)驗(yàn)上的激發(fā)方式及其實(shí)驗(yàn)上常用的幾種探測(cè)方法；介紹了表面等離激元的一些應(yīng)用和研究現(xiàn)狀；最后介紹了本文的研究目的和研究?jī)?nèi)容。第二部分，我們利用惠更斯-菲涅耳原理結(jié)合金屬縫激發(fā)表

5、面等離激元的特性推導(dǎo)出了由n段弧縫組成的樣品激發(fā)表面等離激元光場(chǎng)的表達(dá)式；并設(shè)計(jì)了不同縫數(shù)和排布的結(jié)構(gòu)，根據(jù)得出的理論公式對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光場(chǎng)圖樣進(jìn)行了理論計(jì)算；通過(guò)所得計(jì)算結(jié)果可以看出，在每個(gè)樣品得到的光強(qiáng)圖樣的中心區(qū)域分別產(chǎn)生了由六個(gè)光強(qiáng)亮斑沿圓環(huán)分布的Honeycomb格子、由六個(gè)橢圓狀光強(qiáng)亮斑構(gòu)成的著名的Kagome格子、由五個(gè)呈圓形分布的光強(qiáng)亮斑組成的五花瓣?duì)罡褡雍陀善邆€(gè)呈圓形分布的光強(qiáng)亮斑組成的七花瓣?duì)罡褡?。第三部分我們?/p>

6、過(guò)在金膜上設(shè)計(jì)并刻蝕由6段、5段和7段納米弧縫組成的結(jié)構(gòu)，在線偏振光入射樣品下，獲得了表面等離激元場(chǎng)中微米級(jí)表面等離激元光學(xué)格子。實(shí)驗(yàn)上，我們通過(guò)搭建了馬赫-增德?tīng)柛缮嫦到y(tǒng)并利用全息理論提取出了實(shí)驗(yàn)所得表面等離激元場(chǎng)光場(chǎng)信息，我們得到在樣品形成的強(qiáng)度圖樣。通過(guò)對(duì)所得結(jié)果的光強(qiáng)圖和第二章中理論計(jì)算所得光強(qiáng)圖樣進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果高度一致。我們對(duì)各個(gè)樣品所形成的光學(xué)格子進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)格子的尺寸在微米量級(jí)。為了更清楚地理解格子產(chǎn)

7、生的機(jī)理，我們利用傳統(tǒng)的6針孔屏作類(lèi)比探究了格子的產(chǎn)生機(jī)制。第四部分設(shè)計(jì)了沿不同開(kāi)口大小的螺旋線分布的具有不同段數(shù)不同排布的弧縫結(jié)構(gòu)樣品；在左旋/右旋圓偏振光從基底側(cè)照射樣品時(shí)，得到了具有任意高階渦旋的表面等離激元光學(xué)格子；我們用時(shí)域有限差分(FDTD solutions)軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了從一到五階拓?fù)浜山Y(jié)構(gòu)的渦旋和對(duì)應(yīng)的不同格子光強(qiáng)圖樣，例如 Kagome格子、Honycomb格子，五花瓣和七花瓣?duì)罡褡拥?。第五部分，總結(jié)了本