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铌酸锂基的表面等离子体激元共振调制特性的实验研究

熊涵清  
【摘要】:表面等离子体激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)可获得强大的局域场,从而为缩小器件尺寸和降低能耗创造了新的可能途径。具有电光调制的等离子体激元器件吸引了越来越多的研究。本文主要实验研究以电光材料铌酸锂做为衬底,镀膜厚度约为80nm的金纳米层的等离子体激元共振器件的调制特性,其中包括在不同激光作用下与电极的场分布相关的调制行为、偏振特性和频率响应特性。首先使用时域有限差分法(FDTD,Finite-Difference Time-Domain)对铌酸锂基等离子体激元共振的光谱进行了仿真,结果显示共振波长为582nm。使用有限元方法对金纳米层电极进行了电场分布的仿真。根据仿真结果,我们将尺寸为50um*50um的电极划分为9个区域,并将位于对角线上的3个区域依次标记为区域1、2、3,其对应的归一化电场强度分别为0.09、0.27、1。然后采用棱镜耦合结构激发SPR,使用超连续谱光源(450~2400nm)对等离子体激元共振的电调制特性进行了研究。在此基础上,分别使用532nm、661nm的激光做幅度调制的研究。当输入光聚焦到电极的不同区域时,SPR光谱的调制是不同的。超连续谱激光在区域1、2、3分别获得波长调制为8.17nm/V、10.85nm/V、36.33nm/V。532nm激光在区域1、2、3分别获得幅度调制为1.22d B/V、3.17d B/V、5.43d B/V。661nm激光在区域1、2、3分别获得幅度调制为1.81d B/V、1.94d B/V、2.72d B/V。实验结果证明了与电极的场分布有关的调制特性。接着使用不同激光对铌酸锂基的等离子体激元共振器件的偏振特性进行了研究。实验结果显示532nm、661nm激光下作用下,器件的偏振消光比分别为8.0d B、6.8d B。这印证了SPR入射光的TM偏振激发特性。最后研究了不同激光作用下铌酸锂基的等离子体激元共振器件的调制响应特性。实验结果显示同一激光下,外部调制电压越大,器件的响应强度越大。并且器件在不同激光作用下均有着较快的调制响应速度。使用532nm激光时,器件的平均响应时间约为40ms。使用661nm激光时,器件的平均响应时间约为30ms。至此我们已经证明铌酸锂基的SPR器件可以在低直流电压(1.2V)下完成与场分布有关的电调制,通过单波长(532nm、661nm)激光的幅度调制特性、偏振特性以及调制响应特性的实验研究,我们得到基于电光材料铌酸锂与结构电极的SPR调制特性。这一成果为光电互连、电场传感、SPR调制等的潜在应用提供有价值的参考。论文的创新点如下:1.提出结合铌酸锂与微结构金膜电极来电调制SPR。基于金微结构电极的铌酸锂基的等离子体激元共振器件具有很强的场效应,在低直流电压(1.2V)下也能实现对器件的电光调制,实现了低电压调制。2.以铌酸锂为衬底的微结构金膜,既作为激发SPR的结构,也是连接调制电压的电极。实验证明了不同激光作用下与电极的场分布相关的SPR电调制特性。


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