杂化型等离激元纳米结构、器件及其光物理学研究

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1、中文图书分类号：O436密级：公开UDC：535学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：杂化型等离激元纳米结构、器件及其光物理学研究论文作者：刘飞飞学科：光学工程指导教师：张新平教授论文提交日期:2017年06月UDC：535学校代码：10005中文图书分类号：O436学号：B201306023密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：杂化型等离激元纳米结构、器件及其光物理学研究英文题目：HYBRIDPLASMONICNANOSTRUCTURES,DEVICESANDRELATEDPHOTOPHYSICS论文作者：刘飞飞学科专业：光学

2、工程研究方向：微纳光学申请学位：工学博士指导教师：张新平教授所在单位：应用数理学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringHYBRIDPLASMONICNANOSTRUCTURES,DEVICESANDRELATEDPHOTOPHYSICSLIUFEIFEISupervisedbyProfessorZHANGXINPINGMajorinOPTICALENGINEERINGBeijingUniversityofT

3、echnologyMay,2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：刘飞飞日期：2017年05月25日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其

4、他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：刘飞飞日期：2017年05月25日导师签名：张新平日期：2017年05月25日摘要摘要表面等离激元纳米结构因其独特的光物理学特性而得到广泛的关注。杂化型等离激元纳米结构，即利用不同等离激元间或等离激元与其它光学共振模式间耦合效应的复合纳米结构，能够进一步优化和丰富等离激元纳米结构的光物理学特性，从而进一步的拓展其相关应用。等离激元纳米光子结构在表面增强拉曼、生物/化学传感、微型激光器、太阳能电池以及高集成化光子器件等方面具有很好的应用前景。我们以杂化型等离激元纳米光子结构/器件的实现及光物理机理研究为主要内容，开展了如

5、下方面的研究工作：(1)对称型平-凹半柱纳腔结构中的等离激元杂化及其在光学限波作用研究利用干涉光刻结合倾斜蒸镀方式实现了一种半柱形平-凹纳腔阵列。采用理论模拟与实验验证相结合的方式研究了纳米壳层中局域表面等离激元和平板薄膜中表面等离激元间的相互耦合作用。这两种等离激元间的杂化使得纳腔结构的局域表面等离激元劈裂成两个模式，即对称与反对称模式。反对称模式表现为一个宽带的辐射模式。而对称模式则将大部分光波电场能量聚集在纳腔内部，形成一个强局域化共振模式。因此，对称共振模式在反射光谱中表现为一个窄带、高效的消光峰，其消光强度可高达97%以上。这类结构可以应用于高效、窄带的反射式光学限波

6、器。(2)非对称平-凹半柱纳腔结构中表面等离激元的单向传播在对称型平-凹半柱纳腔结构的基础上，通过在银纳米壳层中引入破缺结构，破坏其对称性，实现了纳腔中局域化能量的定向导出。当银纳米壳呈现非对称结构时，光刻胶模板光栅和非对称银纳米壳阵列的衍射将分别激发金膜中的表面等离激元，其间将存在一定位相差。通过调节这一位相差，我们可以实现两种表面等离激元间相干相长或相干相消。对于已确定的银纳米壳的非对称性，上述干涉过程会发生在某个固定的方向上，从而实现表面等离激元的单向传播。这一研究为实现基于表面等离激元的高集成化光子回路提供了基础。(3)基于等离激元反馈的有源Fabry-Perot微腔结

7、构及光物理学研究利用光还原法制备的银纳米颗粒作为Fabry-Perot微腔的一侧腔镜，将有机半导体发光材料作为微腔的活性填充介质，而另一侧的银膜作为微腔的另一端腔镜，实现了一种有源的等离激元F-P微腔。研究了等离激元共振与F-P微腔共振模式间的相互作用，验证了等离激元的光学反馈机制，发现了等离激元散射光相对于入射光波电场的π相移特性。(4)基于瑞利反常衍射及其与局域表面等离激元的Fano耦合效应的折射率传感I北京工业大学工学博士学位论文器研究在铝纳米线光栅结构中，TM偏振光同时激发了铝纳米线