納米微結(jié)構(gòu)中表面等離子體的機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、本論文的研究工作是在科技部重大基礎(chǔ)研究前期研究專項(xiàng)（No.2005CCA04200）項(xiàng)目資助下完成的。本論文主要運(yùn)用嚴(yán)格耦合波分析（Rigorous coupled wave ananlysis，RCWA）方法，定量研究了亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)中表面等離子體（Surface plasmon polaritons，SPPs）的激發(fā)特性和散射機(jī)理；利用表面等離子體的共振效應(yīng)（Surface plasmon resonance，SPR）和局域共振效應(yīng)

2、（Localized surface plasmon resonance，LSPR），分別提出了基于光束橫向位移測(cè)量的棱鏡型SPR傳感器以及基于納米金屬光柵的LSPR傳感器。
　　 本論文主要的研究工作如下：
　　 (1)利用RCWA方法和正交模式方法，定量分析了在平面波和狹縫基模入射時(shí)，金屬表面的半無(wú)限狹縫結(jié)構(gòu)所激發(fā)的SPPs效率，并詳細(xì)討論了金屬表面單槽結(jié)構(gòu)所激發(fā)的散射場(chǎng)的特性，重點(diǎn)研究了散射場(chǎng)所包含的SPPs和柱

3、面波從可見到近紅外波段在金屬表面的傳播行為。
　　 (2)基于全波矢傅立葉方法和洛侖茲互易定理，系統(tǒng)研究了幾種金屬表面孤立結(jié)構(gòu)中SPPs的激發(fā)特性，并對(duì)SPPs的激發(fā)物理機(jī)理進(jìn)行了分析。在給定的幾種結(jié)構(gòu)中，金屬－介質(zhì)脊提供了最高的SPPs激發(fā)效率，其主要原因是在該結(jié)構(gòu)中存在超強(qiáng)的共振行為。另外，重點(diǎn)討論了SPPs的產(chǎn)生效率與金屬介電常數(shù)之間的關(guān)系，提出了SPPs激發(fā)效率與金屬介電常數(shù)的解析模型。
　　 (3)以金屬表

4、面的雙槽結(jié)構(gòu)為例，研究了金屬表面微結(jié)構(gòu)之間相互作用的機(jī)理。利用嚴(yán)格耦合波方法，定量分析了雙槽結(jié)構(gòu)激發(fā)的SPPs效率，并基于SPPs耦合模型方程，討論了SPPs在雙槽結(jié)構(gòu)之間的模式散射過(guò)程。此外，提出了可以更精確微觀地描述金屬表面微結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程的耦合模型，該模型首次考慮了柱面波到SPPs的轉(zhuǎn)化效應(yīng)，并給出了柱面波到SPPs的轉(zhuǎn)化系數(shù)的近似解析表達(dá)式。
　　 (4)基于古斯-漢斯位移效應(yīng)，提出了一種新的基于光束橫向位移測(cè)量的S

5、PR傳感器，著重分析了SPR光束位移檢測(cè)的原理，并進(jìn)行了數(shù)值分析。在金屬膜厚度大于55nm和小于55nm時(shí)，光束橫向位移表現(xiàn)出不同的變化行為。此外，由于SPR傳感器的折射率靈敏度依賴于金屬膜厚度，因此通過(guò)改變金屬膜厚度，可以使SPR傳感器的分辨率達(dá)到單位折射率。
　　 (5)利用反射光譜分析方法，提出了一種多層膜結(jié)構(gòu)的金屬納米光柵LSPR傳感器。該結(jié)構(gòu)由金屬薄膜和金屬光柵組成，可以同時(shí)激發(fā)局域的SPPs模式和傳播的SPPs模式