论文摘要
在集成光学和纳米光学领域,传播场和局域场的相互转换是一个关键问题。在无线电通信系统中,辐射电磁场和局域电磁场之间的相互转换是由天线来完成的。同样的,光学天线也能够实现传播场和局域场的有效转换。因此光学天线被广泛地应用于近场探测和近场增强。在本文中,作者围绕光学天线的主题,在金属光学天线的近场增强特性和共振模式方面进行了研究,同时还研究了介质天线-近场光学探针的制备方法。首次提出了工作在光学波段的V形共振天线。作者利用FDTD方法系统的研究了V形光学共振天线的近场增强特性。通过计算,发现相对于半波偶极天线,V形天线具有更强的场增强。作者分别研究了V形天线的一阶场增强和二阶场增强,并分析了场增强与天线张角的依赖关系。对于一阶场增强,由于V形天线的方向性强,对入射光的接收面积大,电场增强接近50倍;对于二阶场增强,V形天线的结构具有很高的非对称性,有利于偶阶共振的激发,其二阶场增强最大可达到30倍。为了进一步提高光学天线的场增强能力,作者增大天线的金属面积,形成Bow-tie天线。作者同样计算了Bow-tie天线的一阶和二阶共振。由于Bow-tie天线的结构非对称性增加,电荷分布更加不对称,因此Bow-tie天线具有更强的二阶共振强度,其一阶场增强和二阶场增强最大时都接近50倍。在相同共振波长下,二阶共振的天线尺寸比一阶共振要大,这使得天线的加工制备过程更加容易。利用FDTD方法系统地研究了由L形金属纳米颗粒形成的L形光学共振天线的表面等离激元共振模式及其近场增强特性与入射偏振方向之间的依赖关系。和单个金属棒相比,L形天线的有效波长小并且L形天线由于结构对称性的破坏偶阶模式和奇阶模式都能激发出来。对于等臂L形天线,天线激发出的表面等离激元模式强烈地依赖于入射偏振方向。在天线平面内,由于天线两臂相等,天线结构仍然具有一定的对称性,因此对共振模式具有选择性。对于非等臂L形天线,由于天线平面内的对称性破坏,共振激发模式对入射偏振不再具有选择性。入射偏振沿任何方向,天线的奇阶和偶阶共振都能激发出来。L形天线的近场增强特性也强烈的依赖于入射偏振并且等臂L形天线和非等臂L形天线呈现不同的变化趋势。等臂L形天线在一阶共振时,入射偏振沿垂直于镜面对称轴方向时有最大近场增强;二阶共振时,入射偏振沿镜面对称轴方向时有最大近场增强。而对于非等臂L形天线,入射偏振沿臂长较长的臂的方向时,天线有最大近场增强。作者的计算分析很好的解释了L形天线的实验结果,从而更深入地理解了L形天线的光学性质,为L形天线的进一步应用奠定了基础。最后研究了用化学腐蚀方法制备光纤探针。利用动态腐蚀法和管道腐蚀法制备光纤探针,得到了尖端尺度小于100 nm的光纤探针。作者在管道腐蚀法的基础上提出了一种先对光纤进行预处理再进行腐蚀的新方法。先用HF酸腐蚀光纤,使其末端直径减小到7μm～10μm并形成锥形,再利用PMMA膜覆盖锥形末端部分,然后插入HF酸中进行腐蚀。由于腐蚀是在7μm～10μm的小对流空间中进行的,得到的探针尖端尺度比利用管道腐蚀法得到的探针尖端尺度小。利用这种方法可以得到表面光滑、锥角大和尖端半径小的高质量近场光纤探针。
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标签：光学天线论文; 表面等离激元共振论文; 形天线论文; 近场光学探针论文;