低损耗极化激元的近场光学性质及调控研究

论文摘要

纳米光子学是光学和纳米科学相结合的一个新兴领域,旨在实现亚波长尺度下对光的操控和研究光与纳米尺度物体的相互作用,在量子物理、光催化化学以及生物传感等领域有着广泛的应用。自由空间光子与振荡电荷耦合形成的极化激元为这一目标提供了有效的途径。散射型扫描近场光学显微镜具有突破衍射极限的纳米级空间分辨率,可以在实空间对极化激元进行探测和成像。但极化激元的深入研究需要了解它们的光谱信息,故进一步发展近场成像技术,使其表征同时具有空间和光谱分辨率,对极化激元学的研究非常重要。目前,对极化激元材料的研究主要集中于石墨烯和氮化硼。石墨烯等离激元对自由空间光拥有高的空间局域性且电学可控,但传播寿命较短,仅有百飞秒量级。氮化硼声子极化激元的寿命可以达到皮秒量级,但只能存在于波数范围较窄的剩余射线带内,并且由于宽的能隙,声子极化激元很难实现主动调控。所以寻找更好的极化激元材料以及新的方法调控极化激元是推动纳米光子学发展的主要因素。论文主要包括三个部分:1.搭建了超高空间分辨率红外光谱系统,使其对材料的表征同时拥有空间（～10 nm）和光谱分辨率(～6.25 cm-1)。2.利用近场成像技术首次对砷化铟纳米线表面等离激元进行了实空间成像,并结合数值模拟研究了其相关物理性质,发现表面等离激元同时具有高的空间局域性和低的传播损耗。同时,通过改变纳米线直径和衬底实现了对表面等离激元性质的调控,包括波长、色散、局域因子以及传播衰减。这一发现为极化激元材料提供了一个新的选择。3.通过数值模拟,研究了相变材料作为衬底对氮化硼声子极化激元传播的调控,结果表明利用相变材料两种相域提供的不同介电环境可以实现对声子极化激元波前的调控以及亚波长聚焦。相变材料两相域间的可逆转换以及对极化激元材料的无损坏性,为极化激元的调控提供了一种新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的背景与意义
•   1.2 低维体系中的极化激元
•     1.2.1 极化激元
•     1.2.2 贵金属等离极化激元
•     1.2.3 石墨烯等离极化激元
•     1.2.4 氮化硼声子极化激元
•     1.2.5 其它类型极化激元
•   1.3 近场光学成像技术原理介绍
•     1.3.1 近场光学概述
•     1.3.2 扫描近场光学成像系统
•     1.3.3 近场成像技术的发展
•   1.4 论文的研究内容
• 第2章 超高空间分辨率红外光谱系统的搭建
•   2.1 研究背景
•   2.2 纳米傅里叶变换红外光谱
•     2.2.1 工作原理
•     2.2.2 实验光路
•     2.2.3 背景信号抑制
•     2.2.4 信号归一化
•   2.3 纳米尺度二氧化硅红外光谱的测量
•   2.4 本章小结
• 第3章 砷化铟纳米线表面等离激元近场成像及调控
•   3.1 研究背景
•   3.2 实验部分及理论依据
•     3.2.1 砷化铟纳米线的制备
•     3.2.2 砷化铟纳米线的表征
•     3.2.3 仪器设备
•     3.2.4 理论依据
•   3.3 砷化铟纳米线表面等离激元性质及调控
•     3.3.1表面等离激元近场光学成像
•     3.3.2 表面等离激元性质的调控
•     3.3.3 不同极化激元材料品质因子的比较
•   3.4 本章小结
• 第4章 氮化硼声子极化激元传播调控
•   4.1 研究背景
•   4.2 理论依据
•     4.2.1 介电环境对声子极化激元的影响
• 3SbTe₂ 光学性质及其对声子极化激元的影响'>    4.2.2 相变材料In₃SbTe₂光学性质及其对声子极化激元的影响
•   4.3 非共振金天线激发声子极化激元的调控
•     4.3.1 声子极化激元折射的调控
•     4.3.2 声子极化激元聚焦的调控
•   4.4 共振金天线激发声子极化激元的调控
•     4.4.1 声子极化激元折射的调控
•     4.4.2 声子极化激元聚焦的调控
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周怡汐

导师: 陈佳宁

关键词: 纳米光谱技术,极化激元,低损耗,调控

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: O431.2

DOI: 10.27604/d.cnki.gwlys.2019.000016

总页数: 102

文件大小: 5464k