微纳光子器件设计及飞秒激光制备研究

论文摘要

随着微光子学、微光子技术的发展,涌现出了两种优秀的控制光子流动的微纳器件—光子晶体和表面等离子体激元器件。本文引入飞秒激光双光子光聚合法制备这两种典型的微纳光子器件。首先对“单次、慢扫”的传统“亚微米”双光子光聚合加工理论及加工参数和“多次、快扫”的新型“纳尺度”光聚合加工理论及加工参数进行了探讨,这为双光子光聚合的实际加工应用提供了理论参考。在理论基础上,本文采用双光子光聚合法制备了一些典型的三维微纳器件,如微机械器件、微光学器件、微纳生物器件等。为了设计不同结构的光子晶体和表面等离子体激元器件,本文对时域有限差分法基本原理进行了探讨,并采用时域有限差分法对不同结构光子晶体的光场分布进行了模拟,且对不同金属电介质结构的表面等离子体分布进行了模拟。这些结果为采用双光子光聚合法制备不同结构光子晶体和表面等离子体激元器件提供了理论依据。然后采用飞秒激光双光子光聚合法制备了不同平面杆距的三维光子晶体,对双光子光聚合加工参数和加工稳定性进行了讨论,对不同平面杆距三维光子晶体的禁带光谱进行了测量。并在模拟计算理论指导下,采用飞秒激光双光子光聚合法制备了不同结构三维光子晶体。在传统光子晶体基础上,对掺杂粒子的变频光子晶体进行了初步讨论。最后采用双光子光聚合法制备了不同结构的表面等离子体激元器件,并选择采用简单易行的泄漏模式法对表面等离子体激元器件进行了等离子体激元的激发和观察。对直线、直角、十字、圆等基础的表面等离子体激元器件结构进行设计和制备,并采甩泄漏模式法对这些结构的不同部位进行激元的激发和观察,获得了良好的实验结果,为表面等离子体激元的进一步研究提供了借鉴和参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子器件的发展及应用
• 1.1.1 光子器件的发展过程
• 1.1.2 光子晶体特点与应用
• 1.1.3 表面等离子体激元器件特点与应用
• 1.2 双光子光聚合法在微纳光子器件制备中的应用
• 1.2.1 飞秒激光双光子光聚合原理
• 1.2.2 双光子光聚合法在光子晶体制备中的应用
• 1.2.3 双光子光聚合法在表面等离子体激元器件制备中的应用
• 1.3 本课题研究的目的和内容
• 1.3.1 本课题研究的目的
• 1.3.2 本课题研究的内容
• 第二章 三维微纳器件制备工艺研究
• 2.1 基于“单次、慢扫”的传统“亚微米”光聚合加工研究
• 2.1.1 飞秒激光双光子光聚合微纳加工实验系统与方法
• 2.1.2 飞秒激光双光子光聚合理论模型及加工分辨率公式
• 2.1.3 单次慢扫下线宽研究
• 2.2 基于“多次、快扫”的新型“纳尺度”光聚合加工研究
• 2.2.1 自由基浓度起伏理论
• 2.2.2 飞秒光镊集聚效应理论
• 2.2.3 多次快扫下线宽研究
• 2.3 三维微纳器件制备研究
• 2.3.1 微机械器件制备
• 2.3.2 微光学器件制备
• 2.3.3 微纳生物器件制备
• 2.3.4 微纳模板制备
• 2.4 本章小结
• 第三章 光子晶体及表面等离子体激元器件理论设计与模拟
• 3.1 时域有限差分法基本原理
• 3.2 三维光子晶体计算模拟
• 3.3 表面等离子体激元器件计算模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维光子晶体制备工艺及应用研究
• 4.1 三维光子晶体制备工艺研究
• 4.1.1 木堆结构三维光子晶体工艺研究
• 4.1.2 不同结构三维光子晶体制备及应用研究
• 4.2 变频三维光子晶体初步研究
• 4.2.1 变频三维光子晶体概念及分类
• 4.2.2 变频三维光子晶体制备研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 表面等离子体激元器件制备工艺及应用研究
• 5.1 表面等离子体激元器件制备
• 5.2 表面等离子体激元实验装置
• 5.3 不同表面等离子体激元激发与观察
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目
• 攻读硕士学位期间发表的论文、专利及奖励