金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究Study on the hybrid and absorption properties of metal nanostructure surface plasmon polaritons.pdf

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1、；I^JL_曉-1业:05独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：碟狀辟曰期：学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有关保留、使用学位论文的规定，g卩：中国科学院大学及屮国科学院长春光学精密机械与物理研究所有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权

2、中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）指导教师签名：__曰期：《斗学位论文作者毕业后去向:工作单位：电话:通讯地址：邮编:密级:博士学位论文金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究作者姓名：梁秋群指导教师:鱼卫星研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学位类别:理学博士学科专业:光学培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2015年5月Studyonplasmonhybridizationandopticalabso

3、rptionpropertiesofmetallicnanostructuresByLiangQiuqunADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysicsChineseAcademyofSciencesMay,2015摘要金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究梁秋群(光学)导师：鱼卫星研究

4、员摘要表面等离激元(SurfacePlasmons，简称SPs)，是入射电磁波与金属表面的自由电子共振形成的一种表面电磁模。由于其隐失场的特性，SPs能够将光场局域在突破衍射极限的空间范围内，并伴有局域场增强效应。这些特征使得SPs在完美吸收体、纳米光刻、超分辨以及等离激元纳米透镜等领域具有广泛地应用。金属纳米结构里的表面等离激元共振，使得金属纳米结构具有许多独特的光学特性。研究金属纳米结构里的表面等离激元特性，对设计高性能的纳米光子器件具有重要的意义。本论文围绕着表面等离激元杂化、SPs在完美吸收体和在纳米光刻上的应用三个方面进行研究，具体的研究内容和研究成果如下：(1)在表面等离激元杂化

5、方面，通过电子能量损失谱(EELS)和能量透射电子成像的分析方法(EFTEM)，研究了耦合开口谐振环(SRRs)的表面等离激元杂化问题。采用了有限元与多物理场耦合分析软件ComsolMultiphysics和离散偶极近似的方法，对单个SRR和三个不同开口方向的耦合SRRs的电子能量损失谱(EELS)和能量损失分布图(EELSmap)进行了数值模拟；利用了电子束光刻技术制备样品；并利用能量过滤透射电子成像的分析方法获得了能量过滤图，验证了模拟结果。通过比较单个开口谐振环与耦合开口谐振环的电子能量损失谱，可知单个开口谐振环的表面等离激元模式，在耦合开口谐振环中劈裂成了两个新的模式。这是由于开口谐

6、振环里的表面等离激元相互耦合，产生了表面等离激元杂化。此外，在耦合开口谐振环的表面等离激元杂化中，起主要作用的是电偶极矩之间的相互作用。I中国科学院大学博士学位论文：金属纳米结构表面等离激元杂化和吸收特性的研究(2)在基于表面等离激元的吸收体方面，系统分析了二维金字塔阵列结构的超材料吸收体的吸收特性，利用了有限时域差分法软件FDTDSolutions进行数值模拟，计算了超材料吸收体的吸收光谱以及电磁场分布等，并分析其吸光的机理。数值模拟结果表明，所设计的超材料吸收体在表面等离激元共振、慢光效应和渐变折射率效应共同作用下，实现了对太阳光谱(0.2~2.5μm)内的光波的完美吸收。改变结构参数，

7、所设计的超材料吸收体同样能够在近红外波段(1~14μm)获得完美吸收。此外，还分析了表面等离激元复合谐振腔型的红外光子吸收体的吸收特性。此红外光子吸收体通过表面等离激元共振以及法布里-泊罗共振，耦合入射的电磁波，实现了对近红外波段(8~12μm或其他波段)内的电磁波的强吸收。(3)在表面等离激元的纳米光刻技术方面，提出了利用半球形棱镜耦合装置激发传播型表面等离激元进行全息纳米光刻的光刻技术。这种无掩模的光刻技