金屬納米縫產(chǎn)生的表面等離激元光學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動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，其獨特的性質(zhì)引起了人們在表面等離激元聚焦、渦旋以及光場調(diào)控等方面廣泛的研究興趣。尤其是近年來，關于表面等離激元光場操控方面的研究很熱，現(xiàn)在對于用納米縫、孔等結構產(chǎn)生一些簡單的光場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)效率和探測光場方

2、法方面的限制，以及現(xiàn)有理論的局限性，對于設計產(chǎn)生一些特定的光場圖樣和高階相位渦旋仍然存在難度，需要進一步深入地展開研究。
　　在本論文中，我們通過利用惠更斯-菲涅耳原理和散射成像法，以及時域有限差分法(FDTD solutions)等計算機工具軟件開展了對金屬納米縫產(chǎn)生表面等離激元光學格子及其相位渦旋做了研究。我們設計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)已有的金屬縫結構激發(fā)表面等離激元光場參數(shù)并結合惠更斯-菲涅

3、耳原理，推導出了樣品縫激發(fā)的表面等離激元場的表達式，并以此為理論基礎計算得出了樣品產(chǎn)生的光場圖樣。實驗上我們搭建了馬赫-增德爾干涉系統(tǒng)用散射顯微成像法收集樣品激發(fā)的表面等離激元場并用SCOMS記錄形成的光場圖樣，產(chǎn)生的散射表面等離激元場與參考光相干涉，通過傅里葉變換的方法從得到的干涉條紋中提取出光場信息，得到了不同的光學格子圖樣，并且我們通過構建樣品狀結構的衍射模型，分析了格子產(chǎn)生的機理。我們設計了不同拓撲荷值的樣品，利用入射光和金屬納

4、米縫的相互作用，通過FDTD solutions計算產(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特征參量及其表達式和色散曲線關系；介紹了表面等離激元實驗上的激發(fā)方式及其實驗上常用的幾種探測方法；介紹了表面等離激元的一些應用和研究現(xiàn)狀；最后介紹了本文的研究目的和研究內(nèi)容。第二部分，我們利用惠更斯-菲涅耳原理結合金屬縫激發(fā)表

5、面等離激元的特性推導出了由n段弧縫組成的樣品激發(fā)表面等離激元光場的表達式；并設計了不同縫數(shù)和排布的結構，根據(jù)得出的理論公式對每個結構所產(chǎn)生的光場圖樣進行了理論計算；通過所得計算結果可以看出，在每個樣品得到的光強圖樣的中心區(qū)域分別產(chǎn)生了由六個光強亮斑沿圓環(huán)分布的Honeycomb格子、由六個橢圓狀光強亮斑構成的著名的Kagome格子、由五個呈圓形分布的光強亮斑組成的五花瓣狀格子和由七個呈圓形分布的光強亮斑組成的七花瓣狀格子。第三部分我們通

6、過在金膜上設計并刻蝕由6段、5段和7段納米弧縫組成的結構，在線偏振光入射樣品下，獲得了表面等離激元場中微米級表面等離激元光學格子。實驗上，我們通過搭建了馬赫-增德爾干涉系統(tǒng)并利用全息理論提取出了實驗所得表面等離激元場光場信息，我們得到在樣品形成的強度圖樣。通過對所得結果的光強圖和第二章中理論計算所得光強圖樣進行對比，發(fā)現(xiàn)實驗結果與計算結果高度一致。我們對各個樣品所形成的光學格子進行了測量，發(fā)現(xiàn)格子的尺寸在微米量級。為了更清楚地理解格子產(chǎn)

7、生的機理，我們利用傳統(tǒng)的6針孔屏作類比探究了格子的產(chǎn)生機制。第四部分設計了沿不同開口大小的螺旋線分布的具有不同段數(shù)不同排布的弧縫結構樣品；在左旋/右旋圓偏振光從基底側(cè)照射樣品時，得到了具有任意高階渦旋的表面等離激元光學格子；我們用時域有限差分(FDTD solutions)軟件進行了數(shù)值計算，得到了從一到五階拓撲荷結構的渦旋和對應的不同格子光強圖樣，例如 Kagome格子、Honycomb格子，五花瓣和七花瓣狀格子等。第五部分，總結了本