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扫描近场光学显微镜具有突破光学衍射极限的高空间分辨率,以及特有的在亚微米至纳米尺度上采集局域光谱的能力,成为微结构光学性质研究的有力工具。本文用近场光学显微系统,以线偏振光作为激发光源,研究了纳米结构对表面等离激元的聚焦,包括错位半个周期的环状狭缝和环状周期性沟槽结构对表面等离激元的激发与聚焦。
本研究取得的主要结果有:
1.用线偏振光作为激发光源,研究了错位半周期的环状狭缝结构对表面等离激元的聚焦。利用扫描近场光学显微镜,我们得到了半高宽小于250nm的单聚焦点。基于时域有限差分数值计算结果进一步证实了我们的实验结果。同时我们又用时域有限差分方法研究了偏振方向对这种结构聚焦效果的影响,并通过波动光学的基本原理出发,采取一些合理的近似,分析了偏振对聚焦点影响的原理,发现聚焦点的个数是干涉的结果。定义狭缝两端错位点的连线为错位轴,讨论了偏振方向平行于结构错位轴方向时,单个聚焦点变为四个,以及沿结构错位轴正上方场强为0的原因。
2.为了获得更高的中心强度,得到更高的信噪比,我们又尝试采用线偏振光激发环状周期性沟槽得到表面等离激元的单点聚焦。利用扫描近场光学显微镜,研究了有相位错位和没有相位错位的环状周期性沟槽结构。利用线偏振光激发相位错位的环状周期性沟槽结构,我们得到了半高宽小于200nm的单聚焦点,这一结果与利用时域有限差分数值计算结果一致。时域有限差分方法研究了环绕的布拉格反射镜结构对聚焦效果的影响,发现在近场范围内(10nm高度内)有很强的增强效应,焦点处的场强增大到接近原来的2倍。与此同时,我们也给出了偏振方向对这种结构聚焦效果的影响。我们通过波动光学的基本原理出发,采取一些合理的近似,分析了环状沟槽结构激发方法中偏振对聚焦点影响的原理;同时讨论了偏振方向平行于错位轴方向时,沿错位轴方向的直径正上方场强为0的原因。还通过理论推导得出了相邻峰位之间距离,与实验及模拟数据相符,说明聚焦效果本质的原因是SPPs的波动性。
这样我们就在近场范围内得到了一个高信噪比的亚波长纳米光源。