MIM铝纳米阵列的双光子荧光及二次谐波的特性研究

作     者：石榴 

作者单位：南京师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱竹青

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 070302[理学-分析化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超材料完美吸收体 铝纳米阵列 表面等离子共振 二次谐波 双光子荧光 

摘      要：非线性光学是物理学的一个重要分支,在波长转换、高分辨率显微、生物传感、光子器件等领域有着重要作用。非线性光学信号本质上是很微弱的,因为它们受限于材料与光子间的相互作用。由于表面等离激元存在着近场增强特性,贵金属纳米阵列产生的非线性光学增强现象受到广泛的关注。铝(Al,Aluminium)作为一种低成本、地球含量丰富且与CMOS兼容的金属材料,具有较强的非线性敏感性和较高的发光效率,是替代贵金属最有前途的材料。本文提出了基于金属-绝缘层-金属(MIM,Metal-Insulator-Metal)超材料完美吸收体结构的A1纳米天线阵列,用来增强光学非线性效应。同时利用自搭建的光谱测量系统深入研究了 Al纳米阵列的双光子荧光和二次谐波特性。主要创新工作如下:1、设计了 MIM完美吸收体结构的A1纳米天线阵列,同时利用光热整形激光加工的方法重塑Al纳米天线,通过动态调控A1纳米天线的尺寸来增强双光子荧光及二次谐波信号。2、系统研究了基于MIM完美吸收体结构的A1纳米天线阵列的双光子荧光特性、双光子荧光增强特性、双光子荧光偏振特性。首先,通过分析发射光谱与辐照度的依赖关系,揭示了 A1纳米天线阵列产生的非线性光谱来源于热电子的带内跃迁。其次,理论上通过有限时域差分(FDTD)的计算仿真验证局域场增强效果,实验上实现了 40,000倍增强的上转换连续光发射和300倍的相对荧光增强。最后,实验中发现不同尺寸的A1纳米天线的非线性极化程度高于0.96。据我们所知,这是迄今为止来自等离子体纳米结构的最高线性极化TPL,其可能在极化非线性光子集成中具有重要应用前景。3、系统研究了基于MIM完美吸收体结构的A1纳米阵列的二次谐波产生特性、二次谐波增强特性、二次谐波偏振特性。首先,通过分析二次谐波信号强度与入射光强度的依赖关系,揭示了 A1纳米天线阵列产生的二次谐波信号强度与入射光强度的平方成正比。其次,理论上通过有限时域差分(FDTD)的计算仿真验证十字纳米结构的局域场增强效果,实验上实现了一个数量级的二次谐波信号增强。最后,利用光热整形的方法重塑A1纳米天线,使得两个纳米天线辐射信号的散射相干,实现了二次谐波的偏振态的旋转变化。