基于表面等离激元效应的金属纳米结构光学特性的研究

论文摘要

由于表面等离子激元在物理和工程上的潜在应用,其光学性质引起了很大的兴趣。表面等离激元是局域在金属和空气表面由金属中的自由电子的共振激励导致的。近年来光通过孔(包括单个孔和孔阵)的超强透射引起了很大的兴趣和研究,其中表面等离激元有着很重要的角色。亚波长的金属颗粒激励光学共振与电子集体共振关联称为局域表面等离子波。局域表面等离子波的激励导致了消光带的产生。许多的实验研究和理论计算表明这个共振谱,如中心频率、带宽、幅值和谱线形与颗粒的大小、形状、周围介质及晶格常数有关。本篇论文主要包括两方面内容。第一部分是金属光子晶体透射谱特性的研究；第二部分金属纳米颗粒阵列消光谱特性的研究。全文共分为五章：第一章是绪论。简要介绍本论文的研究背景及其本论文的研究内容和创新点。主要包括表面等离子体的研究现况及其应用,及其本论文研究的表面等离子体的内容。第二章主要是关于表面等离子体的基本原理和性质,同时也介绍了金属微结构的数值仿真方法。并详细介绍了论文用到的数值仿真方法时域有限查分法(FDTD)的基本原理。第三章描述了等离子体波激发的方式和条件,并用FDTD数值仿真了金属光子晶体透射增强效应,研究了孔的厚度和周期、孔中的介质和基底介质等对整个结构透射率的影响,并给出了理论上的解释。第四章是用FDTD数值仿真设计了金纳米颗粒排列在覆上介质膜基底的石英玻璃上的结构,研究了基底特性和金纳米颗粒拓扑形状对消光特性的影响,并用导波模式理论和波耦合原理来分析了仿真结果。第五章是结论与展望。本章总结了整个论文的内容,并提出了一些改进意见和需要进一步研究的机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 表面等离子体概念
• 1.3 表面等离子体的应用
• 1.3.1 在生物传感方面的应用
• 1.3.2 在光学器件方面的应用
• 1.4 本论文的研究内容和创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 表面等离子体原理及数值仿真方法
• 2.1 引言
• 2.2 表面等离子体的基本原理
• 2.3 表面等离子体的数值仿真方法
• 2.3.1 时域有限查分法
• 2.3.2 有限元法
• 2.3.3 矩量法
• 2.3.4 离散偶极子法
• 2.3.5 边界元法
• 2.3.6 格林函数法
• 2.4 本章小结
• 第三章 二维亚波长金属孔阵超强透射研究
• 3.1 引言
• 3.2 表面等离子体激元激元的激发方式
• 3.3 表面等离子体激元光学器件的四个特征尺式
• 3.4 二维亚波长金属孔阵超强透射的仿真
• 3.4.1 系统模型
• 3.4.2 金属介电常数
• 3.5 各种参数对超强透射的影响
• 3.5.1 孔大小
• 3.5.2 孔周期
• 3.5.3 厚度的影响
• 3.5.4 填充物质
• 3.5.5 基底的影响
• 3.6 透射增强的机理
• 3.7 本章小结
• 第四章 金属纳米颗粒阵列消光谱特性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米颗粒的等离子体激元共振
• 4.3 单个金属颗粒的光学特性
• 4.4 金属纳米颗粒阵列的仿真模型
• 4.5 各参数对金属纳米颗粒阵列消光特性的影响
• 4.5.1 基底对消光谱的影响
• 4.5.2 颗粒形状对消光谱的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与改进
• 5.1 总结
• 5.2 改进
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢