混合型金属表面等离子体光子器件及其传感应用理论研究

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表面等离子体因其独特的性质已经广泛的应用在传感、生物制药、光电器件等领域。在传感方面,表面等离子共振传感器具有灵敏度高、检测方便快捷等优点。而Tamm态作为新型金属表面等离子体,更易被激发,且有更强的光场局域性,也被应用于传感器方面。两种表面电磁波都有其优势,然而现有的光子结构大部分只能激发其中一种,能够结合两者特点并且同时激发表而等离子体和Tamm态的结构还有待深入研究。通过表面等离子体和Tamm态的激发条件,本文提出三种结构同时支持表面等离激元和Tamm等离激元。并通过反射谱和电磁场分布等来研究两种金属表面态的特性。最后,以传感应用为例,研究光子结构的应用情况。为大测量范围下的、双变量传感提供理论指导。光子结构支持多谐振机制,其具有角度、偏振相关性,能够实现双参数测量。具体研究内容和结论如下:首先根据表面等离子体和Tamm态的激发条件提出MDM-DBR(金属-电介质-金属-分布式布拉格反射镜),MM-DBR(金属-金属-DBR)和CM-DBR(圆形金属-DBR)三种光子结构,并讨论三种结构的反射谱和归一化电磁场分布。结果表明:MDM-DBR结构能够激发传播型表面等离子体共振、局域型表面等离子体共振和光学Tamm态:MM-DBR和CM-DBR结构仅能够激发局域型表面等离子体共振和光学Tamm态。其次改变DBR中心波长、金属光栅周期、金属纳米线宽度、金属光栅高度、金属Ag薄膜厚度和电介质厚度等六个参量的大小,通过反射谱和电磁场分布来研究光子结构的变化规律。并在此基础上,对Tamm态与表面等离子体的耦合作用进行了讨论。最后以传感应用为例,研究光子结构的应用情况。在传感应用方面,实现双参数传感,并有大范围测量,线性相关系数高的优点。并分析了如何实现双参数传感。双参数传感的实现简单,MDM-DBR结构在TM偏振光垂直入射下,依据TPs和LSPs共振峰测出环境折射率和介质层厚度. MM-DBR结构垂直入射时仅激发TPs, TM偏振光75.7度入射激发SPs,分别能够测出介质层厚度和环境折射率CM-DBR结构TE偏振光激发TPs, TM偏振光激发SPs,两厢结合测出两个参量。
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