纳米光学天线的特性与应用研究

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表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)现象的选择性近场增强效应是许多新颖技术的基石,尤其是在表面光学检测方面,包括生物传感、超分辨率成像以及表面增强拉曼散射光谱检测等。基于SPR增强效应的光学纳米技术和结构体系研究对设计微型化、集成化的光学检测芯片有着重要参考作用,这方面的研究已经成为当前国内外所广泛关注的热门研究领域之一。基于SPR现象设计的纳米金属结构能够针对特殊波段的光产生明显优于其他波段光的近场增强效应,可以将其称为纳米光学天线。对本文以“贵州省国际科技合作计划项目”为依托,对用于折射率检测的SPR传感原理进行了深入研究,在此基础上研究微观范围内金属纳米结构的共振增强特性,设计适用于亚波长尺寸范围内折射率检测的金属纳米结构。  本文采用电磁场仿真方法开展研究,在分析研究常用电磁场仿真算法的基础上选择CST MW工作室作为研究平台,并根据检测应用的情况对金属色散材料(Au)、激励源、透光介质等参数进行了设计。在具体设计中,首先研究了纳米颗粒、对偶极子结构的表面等离子体共振特性,包括共振频率、共振幅度与结构形状参数的关系以及衬底的增强效应。在此基础上选择偶极子结构为对象研究其SPR特性与周围折射率环境的关系,并设计了能够灵敏反应折射率变化的E型对偶极子结构。最后,探讨了将纳米阵列结构用于折射率测量的潜力。  本文的研究对能够提高SPR增强效应的新结构设计具有较为重要的参考价值和研究意义。这些新型的纳米金属结构不仅能用于表面光学传感技术,在能量收集、光信号处理等应用中也有着参考意义。
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