微納光纖-金納米棒復合結(jié)構(gòu)-微納尺度“光子-表面等離激元”研究新平臺.pdf

1、得益于其獨特的局域表面等離激元共振(localized surface plasmon resonance，LSPR)特性，金屬納米顆粒在生物化學傳感、表面增強拉曼光譜、生物醫(yī)學和納米光子學等領域有著廣泛的應用前景。到目前為止，金屬納米顆粒LSPR的激發(fā)一般采用自由空間光束直接照射方式。一方面，由于單個金屬納米顆粒消光截面很小而照射光斑面積相對較大，激發(fā)效率受到很大限制（一般小于1％）;另一方面，這種激發(fā)方式往往需要利用大體積的光學元件

2、（如物鏡或棱鏡等）來轉(zhuǎn)折光路。這些均使得研制基于金屬納米顆粒的小型化和低功耗的光子器件變得相對困難。此外，在金屬納米顆粒中，金屬材料的本征吸收和納米顆粒的散射損耗一般比較大，導致其LSPR線寬相對較寬，嚴重限制了金屬納米顆粒在很多領域如高靈敏度生物化學傳感或表面增強拉曼光譜中的應用。因此，如何提高金屬納米顆粒LSPR的激發(fā)效率和集成度，以及如何降低金屬納米顆粒LSPR的線寬，是目前金屬納米顆粒LSPR研究領域所面臨的關鍵問題。基于上述考

3、慮，我們提出了使用金屬納米顆粒和微納光纖組成的復合結(jié)構(gòu)（金納米棒摻雜的聚合物納米光纖和表面沉積金納米棒的微光纖）來提高金屬納米顆粒LSPR激發(fā)效率和降低金屬納米顆粒LSPR線寬的方案，成功地將其應用于光學傳感，并演示了金納米棒LSPR峰的動態(tài)調(diào)控。
　　 在本論文的第一章，我們綜述了微納光波導和金屬納米顆粒LSPR的研究背景以及典型的金屬納米顆粒-微納光波導復合結(jié)構(gòu)的研究進展。
　　 在本論文的第二章，我們主要介紹了微納

4、光纖的基本光學特性。首先，我們簡單介紹了氧化硅和聚合物微納光纖的制備方法。其次，通過計算機數(shù)值模擬，我們分析了微納光纖的光學傳輸特性，結(jié)果表明微納光纖具有強的光場束縛能力和大比例倏逝場，同時我們還介紹了微納光纖的光學輸入輸出方法。接著，我們介紹了微納光纖常用的功能化方法，包括表面修飾、摻雜和電子束活化等。最后，我們演示了將微納光纖組裝成各種復雜結(jié)構(gòu)的微納操作技術。上述研究為我們后續(xù)的微納光纖-金納米棒復合結(jié)構(gòu)研究準備了理論和技術基礎。<

5、br>　　 在本論文的第三章，我們研究了納米光纖導波高效激發(fā)金納米棒的LSPR。首先，我們將金納米棒摻雜進聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)溶液并制備聚合物納米光纖，實現(xiàn)了金納米棒在PAM納米光纖中的高度有序排列。其次，我們通過倏逝波耦合方式將激發(fā)光耦合進聚合物納米光纖，首次利用納米光纖中的導波模式實現(xiàn)了摻雜金納米棒LSPR的激發(fā)。實驗測得，在縱向表面等離激元共振峰處，單個金納米棒中的光子-激元轉(zhuǎn)換效率高達70％。這一

6、高效且緊湊的激發(fā)方式為發(fā)展小型化和低功耗的基于金屬納米顆粒的微納光子器件提供了新的思路。
　　 作為上述金納米棒-聚合物納米光纖復合結(jié)構(gòu)的應用之一，我們演示了基于納米光纖導波激發(fā)的金納米棒的光學相對濕度(relative humidity，RH)傳感。我們通過監(jiān)測摻雜的單個金納米棒LSPR峰的移動來實現(xiàn)濕度傳感，獲得了約0.19 nm/％ RH的靈敏度，比其它基于裸露的金納米顆粒的傳感器的靈敏度高一個數(shù)量級;另外，我們也通過監(jiān)測

7、納米光纖輸出端光功率變化來實現(xiàn)傳感，獲得的靈敏度約為0.07 dB/％ RH，分辨率低于1％RH，響應時間優(yōu)于110 ms，光功耗只需500 pW。
　　 在本論文的第四章，我們提出了將金納米棒沉積在微光纖表面來實現(xiàn)對金納米棒LSPR線寬的壓縮的方案。當金納米棒沉積在微光纖表面時，金納米棒的LSPR模式和微光纖截面的回音壁模式發(fā)生耦合，其散射譜受到明顯的周期性調(diào)制。在與直徑為1.46μm的氧化硅微光纖耦合時，我們得到了約3.4

8、nm線寬的單個散射峰，相比于正常的線寬壓縮了將近15倍，同時散射峰的強度增強了約30倍。當用PAM微光纖代替氧化硅微光纖時，我們可以實現(xiàn)對耦合的金納米棒散射峰的動態(tài)調(diào)控，可調(diào)范圍約為40 nm。
　　 最后，在第五章中，我們總結(jié)了本論文的主要工作、創(chuàng)新點及未來可開展的研究計劃。微納光纖-金納米棒組成的復合結(jié)構(gòu)為微納尺度“光子-表面等離激元”研究提供了一個新的平臺，在高靈敏度生物化學傳感、表面增強拉曼光譜、等離激元激光器和光學調(diào)制