基于表面等离子体纳米结构的显色原理及偏振复用技术研究

论文摘要

表面等离子体是一种存在于金属和介质材料交界面处的自由电子集群振荡。当光子作用在金属纳米结构上,金属中的自由电子与电磁波能量耦合成特殊的波动形式或是共振模式,由此带来了诸如异常透射,光的完美吸收,超衍射聚焦和结构色等许多奇特现象。近年来,随着微纳加工技术的逐步发展和表征方法的日趋完善,对基于表面等离子体亚波长结构的纳米器件研究激起了学者们极大的兴趣。论文在国家973计划和国家自然科学基金等项目的资助下,就表面等离子体纳米结构的显色原理及偏振复用技术展开了较为深入的理论和实验研究。论文重点研究了基于表面等离子体共振的宽带吸收,窄带热辐射,通过对吸收谱线带宽的调制来控制结构所产生颜色的饱和度及显色范围;提出一种高饱和度结构色的产生原理,并经实验验证了其在传感应用中所具有的高灵敏度和高品质因数。除此之外,设计,优化并实验验证了一种具有色散旋光效应的超构表面结构,通过调控入射光偏振态和反射光偏振态,实现了较大范围的动态显色技术,解决了偏振复用成像技术中图像重叠误差难以抑制的难题,实现了大密度光学信息存储且能对全英文字母加密的多种功能。论文的主要研究工作及创新性成果包括:（1）针对传统近场聚焦工作距离短且分辨率低的问题,提出一种基于振幅调制超构表面的近场超分辨聚焦器件原理,解决了近场聚焦受制于工作距的问题。基于倏逝波干涉的理论方法和反向倏逝波放大的算法,使得理论上近场焦斑可以被压缩到无穷小。（2）针对传统太阳能吸收器件吸收效率不高,体型较大的问题,分析了不同类型的金属-介质或者金属-介质-金属的多层亚波长结构中表面等离子体的共振模式,在此基础上设计和优化出了多种不同功能的纳米光学器件,其中包括实现从可见光到近红外的宽带电磁波吸收器件,针对某个窄带频段的热辐射结构和能超越衍射极限的近场倏逝波干涉透镜。与传统光学器件相比,这些表面等离子体纳米光学器件不但具有优异的光学响应,而且具有小尺寸,高效率,性质稳定等特点,非常适合集成在微纳光学系统之中。（3）针对结构色器件所产生的颜色受制于纳米天线尺寸及共振模式的局限性,设计出基于间隙等离子体共振模式的纳米结构色器件,实现了全颜色显示以及偏振可调的功能。高度局域的能量以及亚波长的周期结构使得这种基于间隙等离子体共振模式的结构能在某个频率实现近乎完美的吸收且对大角度入射不敏感。（4）针对表面等离子体结构色存在饱和度不高的问题,设计优化了超薄的亚波长全银光栅,并提出一种“光子自旋复位”的新物理名词来解释相应的现象。用干涉光刻技术加工大面积的样品,并在搭建的光路中观察到了全颜色显示,偏振成像调控和折射率传感等效果。超薄的结构（30 nm）,超高的效率（75%）,超高饱和度的颜色,偏振可调的特性和对环境无污染的低成本加工过程,这些优点有助于该结构从超净间加工测量向实际应用迈出可喜的一步。（5）针对表面等离子体偏振可调结构色调控范围小,像素尺寸大,偏振复用成像会有图像重叠等问题,设计并实验验证了一种基于等离子体结构色的全铝超表面结构,实现了多种功能。当白光照射到结构上时,局域型表面等离子体共振的激发将不同的入射和反射偏振态组合过滤成了不同的颜色,极大地扩展了每一个像素单元所能存储的信息量。多样颜色的产生再加上超高的分辨率（34000d.p.i.）,给这样的超构表面结构提供了产生高识别度颜色的平台,极大地提高了光学信息存储密度。除此之外,并行的大面积读取方式提高了数据读取的速度,这是目前存储技术里“点对点”读取所难以企及的。除了数据存储,还实验证明了该超表面结构能实现万花筒般的无图像重叠误差隐写术,以及对全26个英文字母进行密码化的加密发送和解密读取技术。论文的研究成果展示了多功能等离子体超表面结构能有效地解决现代信息技术中的一些挑战性的难题。

论文目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 结构色研究的历史背景及概况

1.2.1 生物体表中的结构色

1.2.2 历史文物中的结构色

1.3 结构色计算的基本知识

1.4 表面等离子体结构色的文献综述

1.4.1 金属膜上的纳米小孔阵列显色

1.4.2 亚波长金属光栅显色

1.4.3 复合单元结构的显色

1.4.4 偏振复用成像技术

1.4.5 光/热致形变的动态显色调控技术

1.5 本文的主要研究内容及章节安排

2 光与金属结构相互作用理论基础和分析方法

2.1 引言

2.2 光波段金属材料的介电常数

2.3 表面等离子体的理论基础

2.3.1 表面等离子体的存在条件

2.3.2 表面等离子体的特征参数

2.3.3 表面等离子体的激发条件

2.3.4 局域型表面等离子体

2.3.5 混合模式的表面等离子体共振

2.4 倏逝波干涉的计算和超分辨聚焦器件设计

2.4.1 超分辨聚焦的前提条件

2.4.2 反向传播设计理论

2.4.3 调控近场的振幅和相位分布

2.5 本章小结

3 基于多层纳米结构的电磁波吸收原理及应用

3.1 引言

3.2 光波段的能量吸收器件

3.2.1 宽带吸收器件的设计与优化

3.2.2 扩展吸收带宽的原理

3.2.3 窄带热辐射的调制

3.2.4 入射角和偏振角的影响

3.3 基于光完美吸收的显色器件

3.3.1 间隙等离子体共振结构

3.3.2 全颜色显色

3.3.3 偏振复用成像的仿真结果

3.4 本章小结

4 高饱和度等离子体结构色的产生原理及应用

4.1 引言

4.2 超薄全金属光栅的制备与测试

4.2.1 干涉光刻技术

4.2.2 全银纳米光栅制备流程

4.2.3 全银纳米光栅的测试

4.3 超薄全银纳米光栅的光学响应

4.3.1 高饱和度颜色的产生

4.3.2 仿真与实验结果对比

4.3.3 高灵敏度传感应用

4.3.4 偏振可擦除的成像

4.4 高饱和度显色的物理原理

4.5 本章小结

5 偏振复用结构色的原理及应用

5.1 引言

5.2 超构表面的理论设计

5.2.1 超构表面的单元结构共振模式分析

5.2.2 波长相关的旋光效应

5.2.3 超构表面的偏振调控仿真结果

5.3 超构表面的实验表征

5.4 偏振复用结构色的多种应用

5.4.1 图像信息“隐写术”

5.4.2 高密度光信息存储

5.4.3 信息加密/解密技术

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要工作总结

6.2 研究工作展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果

C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D.学位论文数据集

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋茂文

导师: 喻洪麟

关键词: 表面等离子体共振,超构表面,结构色,偏振调控,纳米光学器件

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 重庆大学

基金: 国家973项目(波的衍射极限关键科学问题研究,批准号:2013CBA01700),基于超材料的红外偏振调控机理研究,批准号:61575032),国家留学基金委(201606050044)

分类号: O53

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000418

总页数: 123

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