基于微透镜的复合结构增强量子点远场定向发光的研究

论文摘要

随着电磁数值计算的飞速发展和纳米制作工艺技术的不断成熟,多功能、小型化及集成化的微纳光电子器件被设计和制备,已被广泛应用于生物科学、能源利用和高速光通信等领域。荧光检测作为微纳光子学研究的分支之一,因其具有灵敏度高,操作简便等优点,已经在生物传感、医学成像、材料表征分析、照明显示等方面得到了重要应用。然而在均匀介质中,荧光物质发光效率比较低以及探测器灵敏度的限制,严重制约着荧光检测的进一步发展。而通过提高荧光物质的远场定向发射可以有效的提高探测器的信号收集效率,提高荧光检测的灵敏度。相比起其他荧光物质,量子点因其独特的光学特性使得它成为荧光物质的最佳选择。因此研究微纳光子结构和量子点耦合时的荧光发射具有重要的意义。本文系统研究了微纳复合结构对量子点定向发光的影响。主要研究内容如下:首先提出了一种由半圆形金属银微流通道和微透镜组成的复合结构。通过时域有限差分方法研究了该复合结构对量子点定向发射的影响。计算结果表明:单个半圆形金属微流通道和不同偏振态的量子点耦合时荧光发射不同,这是因为不同偏振态下的量子点发出的光波和金属微流通道相互作用后形成不同的光耦合模式,使得量子点定向发射效果不同;接着研究了不同弧度下金属微流通道对量子点发射的影响,发现不同弧度的金属微流通道对量子点定向发射影响不大。最后研究了半圆形金属微流通道搭载微透镜形成的复合结构对量子点定向发射的影响。发现当搭载微透镜的支架高度为3μm,微透镜的半长短轴参数分别为7μm和1μm,折射率为3时,相比起半圆形金属微流通道,该复合结构可以实现高强度和高定向性的荧光发射。这是因为支撑微透镜的支架改变了从半圆形银通道到微透镜的光路,从而允许光在到达微透镜之前经历充足的相位累计,并且最终在远场实现比没有支撑情况下更好的干涉光斑。接着提出了一种由硅柱二聚体和二氧化钛圆盘微透镜组成的复合纳米天线结构实现高度定向的荧光发射。研究了硅柱二聚体不同长短轴参数及硅柱二聚体和二氧化钛圆盘微透镜复合后对荧光定向发射的影响。计算结果表明:在短波段和长波段下,不同长短轴参数比的硅柱二聚体天线对量子点的荧光增强不同,但在中心波长600nm附近,荧光增强差别不大。硅柱二聚体增强量子点发射的机理是硅柱天线和光波作用后将产生米氏共振,可以实现亚波长区域内电场增强,也称为电磁热点。在电磁热点附近的量子点辐射衰减增强,荧光发射得到增强。接着分析了硅柱二聚体和二氧化钛圆盘微透镜复合后对量子点的定向发射收集效率的影响。计算结果表明硅柱二聚体和二氧化钛圆盘微透镜组成的复合结构可以实现量子点的定向发射,在定向发射方向上的出射光收集效率可以达到50%,这对实现高度集成化的单光子发射器以及单分子荧光增强具有重要的参考意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 全宏升

导师: 陈智辉

关键词: 金属银微流通道,微透镜,硅柱二聚体,二氧化钛圆盘微透镜,复合结构,定向发射

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 太原理工大学

基金: 国家自然科学基金(11674239,61307069),三晋英才支持计划,山西省青年拔尖人才支持计划,山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划等项目

分类号: O471.1

总页数: 64

文件大小: 3597K

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