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表面等离激元纳米光子学中的偏振态研究

谢玉波  
【摘要】:表面等离激元是一种存在于金属——介质界面上的电磁波模式,根据它的传播特性,可以分为表面等离极化激元(SPPs)和局域表面等离激元共振(LSPR)。表面等离激元的最主要特点是对光场的强烈束缚性和亚波长特性,使得它们在纳米光子学研究中占有重要地位,在全光控制、超分辨成像、光传感、数据存储、超构材料、微纳光子电路、增强荧光一拉曼等领域都有重要的应用价值。近年来,受微电子技术的带动,二维纳米加工技术有了很大的进步,人们能方便地进行地二维亚波长微结构加工。这种加工技术刚好适应了表面等离激元对表面性质敏感的特点,使得表面等离激元光子学成为目前最热门的研究领域之一。本文的工作就是在表面等离激元微纳光子学的背景下展开的。我们利用表面等离极化激元的亚波长特性和横波特性,设计了微型光学偏振态测量器,能够对任意宏观光学偏振态进行测量。利用局域表面等离激元的天线特性,实现了对线偏振光的偏振旋转,这为在纳米尺度控制光的偏振态提供了新方法。由于表面等离激元的高束缚性,需要近场方法才能有效的了解它的性质。我们总结了现有的散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)成像原理,提出了一个新的、简化的近场光学显微镜模型。此外,对多种纳米材料,特别是贵金属纳米材料进行了详细研究。我们还研究了散射近场光学显微镜的衬度原理,分析了单晶银纳米线上的表面等离激元模式。这些工作在理论和实验上都取得了有价值的结果。1、任意光的偏振态都可以使用四个斯托克斯参数(Stokes Parameters)来描述。这四个参数可以使用线偏振片和四分之一波片——线偏振片组测量得到,后者相当于一个圆偏振片。通常,一个完整的偏振态测量最少需要四次,每次得到一个光强值。但是,由于传统的四分之一波片和线偏振片体积庞大,很难把偏振态测量器小型化。我们利用表面等离激元学中的“牛眼”结构,实现了线偏振片和圆偏振片(四分之一波片——线偏振片组)的集成,成功制作了光偏振态分析器。实验表明,这种偏振分析器性能优良、单元问串扰小可以用于制作大面积的偏振分析器阵列,实现实时的偏振态成像。2、光学旋转是一种具有很高实用价值的光学现象,它起源于介质的圆双折射性,是手性材料都具有的光学性质。一般自然材料的圆双折射性很弱,在很大的体块材料中才能观察到明显的光学旋转。虽然在亚波长尺度上有效控制光的偏振是一件困难的事情,但是,利用表面等离激元的强束缚性,我们实现了光学旋转效应。在这儿,我们利用局域表面等离激元的天线效应,制作了SPPs为馈源的圆偏振光学天线,通过调节两支SPPs馈源之间的相位,在左旋和右旋圆偏振光之间引入了相位延迟。两圆偏振光重新合成的线偏振光,偏振面可以发生任意角度的旋转。3、s-SNOM是近期发展起来的一种新型的近场光学显微镜。不同于以往的基于拉锥光纤探针的扫描近场显微镜,它直接使用一般的原子力探针,靠收集从原子力探针针尖散射的近场光实现对近场的测量。由于原子力的探针针尖的曲率半径可以做到很小,因此这种近场显微镜具有更高的分辨率,通常在10nm的数量级。但是,它同时也需要复杂的技术来实现从各种散射信号中提取有效的近场信号,这无疑增加了s-SNOM的复杂度。良好的模型是解释近场图像的关键,目前的主要模型是准静电偶极子模型。这个模型在长波是成功的,但在可见光波段缺乏一般性。我们利用并矢格林函数法,提出了一个新的散射近场模型,为解释实验数据提供了参考。4、单晶银纳米线是一种重要的表面等离激元材料,常被用作高效的SPPs波导和SPPs共振腔。我们利用散射型近场光学显微镜,详细研究了单晶银纳米线上的SPPs模式,发现了有趣的整SPPs波长周期的干涉图样。一般情况下,SPPs的驻波模式都是半个SPPs波长的。通过模拟,并参照近场模型,我们发现,这种图样来自激发光和弱共振SPPs纳米线腔模式的干涉作用。此外,我们对多种纳米材料进行了近场图像测量,我们发现它们的近场衬度可以分为两大类——光学属性衬度和近场强度衬度。而我们的近场模型可以很好的解释这种分类。


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