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真空调频原子力显微镜系统设计

电子测量技术 2022年第5期45卷 181-186页

作者：王旭东温阳王慧云冯婕秦丽马宗敏中北大学仪器与电子学院太原030051

原子力显微镜(AFM)作为微观领域表征物质性质的强有力工具,在科学研究中被广泛应用。现有的商业原子力显微镜的工作模式大都为调幅模式(AM-AFM),受品质因子q的影响限制了进一步的高分辨率成像研究。为进一步提高分辨率,设计研发了调频... 详细信息

原子力显微镜(AFM)作为微观领域表征物质性质的强有力工具,在科学研究中被广泛应用。现有的商业原子力显微镜的工作模式大都为调幅模式(AM-AFM),受品质因子q的影响限制了进一步的高分辨率成像研究。为进一步提高分辨率,设计研发了调频原子力显微镜(FM-AFM),分析了影响系统分辨率的重要因素,并且设计了真空系统,以此提高探针悬臂的品质因子q。本文对真空环境下FM-AFM的系统性能进行了实验和研究,从系统灵敏度以及测量效果等方面讨论了真空环境下FM-AFM相较于大气环境下的优越性。系统功率谱密度达到10 mHz/√Hz,系统灵敏度Δf≤0.02Hz,探针悬臂的品质因子q达到14212,突破了原子力显微镜中的q限制。

关键词：调频原子力显微镜(FM-AFM) 真空系统高q因子高灵敏度

基于光栅结构连续域束缚态的低阈值纳米激光研究

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基于光栅结构连续域束缚态的低阈值纳米激光研究

作者：闫梦山东师范大学

学位级别：硕士

随着材料科学和纳米技术的迅速发展,激光的微型化逐渐成为光子学研究的热点,从其发展历程来看,尺寸已从m量级的固、气体激光到如今nm量级的半导体纳米激光,跨越了将近10个数量级。纳米激光可以在纳米尺度上产生相干光,此外,纳米尺度的... 详细信息

随着材料科学和纳米技术的迅速发展,激光的微型化逐渐成为光子学研究的热点,从其发展历程来看,尺寸已从m量级的固、气体激光到如今nm量级的半导体纳米激光,跨越了将近10个数量级。纳米激光可以在纳米尺度上产生相干光,此外,纳米尺度的强局域电磁场可以增强光与物质之间的相互作用,相比传统激光器更紧凑、更快速、更节能,被广泛应用于光学互连、近场光谱学、传感、生物系统的光学探测以及高分辨率成像等方面。品质因子(q因子)用来表征激光的性能,光学腔的高q因子保证了光子长时间停留在腔内并与增益材料相互作用。然而,光-物质相互作用的效率不仅取决于光模式的寿命,还取决于它的模式体积。表面等离子体模式与光子模式相比具有显著的模式体积缩小,但由于金属的欧姆损耗,它们的品质因子通常很低;采用光学损耗极低的全介电纳米材料能够避免金属结构的欧姆损耗,但由于其介电特性,高折射率纳米粒子对应的电磁多极模式的辐射损失(即散射)仍然会阻碍纳米结构高q因子共振的实现。近年来,连续域束缚态(Bound states in the continuum,BICs)因其具有无限大q因子和零线宽被认为是实现周期结构中高q共振的有效途径,推动了介电谐振纳米光子学领域的发展,为在全介电波导光栅结构和二维光栅超表面中构建高质量光学谐振提供了重要的物理机制。连续域束缚态(BIC)是能量嵌入连续光谱中的局域态,具有无限的寿命;在实际系统中发生的任何损失都会导致束缚态转变为具有有限寿命的共振态(准BIC),并被广泛应用于激光、传感器、滤波器、吸收器和非线性光学等领域。本论文就围绕周期性的光栅结构所支持的连续域束缚态的低阈值纳米激光展开了数值研究,主要的研究内容和结论有:1.提出了一种基于准BIC的全介质共振波导光栅(Resonant waveguide grating,RWG)结构,不对称参数δ的改变可以用来把光栅由原来的传统两部分转变为新型的四部分,波导结构的准BIC模式由此形成。通过FDTD Solutions软件模拟新型RWG结构的激射行为,发现TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值要比传统的两部分光栅结构的阈值低大约20.86%;TM谐振模式下该结构的阈值也会低于传统结构,约3.3倍;而且在同样的几何参数下,TE偏振光照射时纳米激光的阈值将比TM偏振光照射时阈值低约一个数量级。2.我们采用了一种新型的方法来激发二维光栅纳米结构的BIC模式,即通过使用磷化铟(In P)或者硅(Si)等高折射率全介电材料纳米柱来支持由二氧化硅(Si O)间隔层隔开的具有高反射率性质的金属薄膜上的水平面内辐射磁偶极子共振。这种介质-金属杂化结构的BIC模式和q因子均可以通过纳米柱的直径灵活调节,且BIC模式处的电场局限在圆柱体内,磁场呈水平面内偶极子状分布。利用FDTD数值模拟该模式下激光的产生,阈值仅有5.31m J/m,非常适合于低阈值纳米激光器。

关键词：连续域束缚态纳米激光全介电超表面低阈值高q因子

全介质超构表面Fano共振及其光学特性调控

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全介质超构表面Fano共振及其光学特性调控

作者：米晴江南大学

学位级别：硕士

在光子学中,实现高性能共振以提高光学器件的性能至关重要。超表面结构不依赖传播引起的相位差,其在传播方向上的尺寸可压缩到波长级别,为现代光学器件小型化和集成化提供可能。为了有效耦合和控制电磁辐射,电介质超构表面提供了一个简... 详细信息

在光子学中,实现高性能共振以提高光学器件的性能至关重要。超表面结构不依赖传播引起的相位差,其在传播方向上的尺寸可压缩到波长级别,为现代光学器件小型化和集成化提供可能。为了有效耦合和控制电磁辐射,电介质超构表面提供了一个简单而有效的平台,在不同的技术领域得到广泛应用。当前人们通过定制微纳超构表面实现具有优越性能的Fano共振,但往往具有较为复杂的结构设计和调控过程,且其对共振调控机制的深入分析仍有待完善。本文基于低损耗的全介质超构表面,提出三种实现高品质(quality,q)因子Fano共振的新型器件设计,系统探究其共振特性对应的调控机制,主要包括:1.设计了超元胞内包含四聚体孔的新型平面纳米孔板(Planar Nanohole Slab,PNS)获得高q因子双频带偏振无关Fano共振。通过沿超晶格对角线收缩或扩张四聚体纳米孔,两个对称保护的连续域束缚态(Bound States in the Continuum,BICs)转换为双频带Fano共振。利用远场多极子分解和近场电磁场分布结合分析,双频带Fano共振是由电偶极子(Electric Dipole,ED)与环形偶极子(Toroidal Dipole,TD)或磁偶极子(Magnetic Dipole,MD)与TD之间的共振耦合引起的。通过增加高度可激发波长范围内高q因子多重Fano共振。该器件为实现具有高性能的高q因子谐振器提供了更多的调谐自由度,为激光、传感、非线性光子器件的发展提供一定的参考借鉴。2.提出了一种二聚体硅(Si)基全电介质超构表面实现近红外光谱区域中的BICs激发高q因子偏振相关Fano共振。结构使用沉积在二氧化硅(SiO)衬底上的Si纳米方块阵列(Si-Nanocube Arrays,SNAs),通过将超元胞内二聚体一个Si块沿轴位移,激发x偏振和y偏振入射条件下的不同位置处的高q因子Fano共振。利用远场多极子分解和近场电磁场分布结合分析,两个Fano共振分别由TD模式和MD模式起主要贡献。面内平移对称性的变化对共振光学特性进行调控,入射偏振角的转换过程中能够实现双通道Fano共振。超元胞内镜像对称性破缺也可激发偏振相关的不同模式Fano共振。该超构表面结构参数易于制备,为光学器件的小型化和集成化提供了一种可行的技术方案。3.提出了基于Si盘阵列超构表面的共振动态调谐。SiO基底上的Si圆盘结构激发近红外波段的双通道米氏(Mie)共振。通过改变Si盘的横纵对比度打破结构的面内不对称性,双通道共振的共振位置和带宽等光学特性得到调控。利用远场多极子分解和近场电磁场分布结合分析,双通道共振分别是由ED模式和TD模式起主要贡献。斜入射条件下双通道的Fano共振在Mie共振的背景中产生并随入射角变化而得到调控。双通道Fano共振由TD模式和MD模式起主要作用且具有偏振无关特性。利用混合重构Si/GST超构表面可重新配置特性对双通道Mie共振进行动态控制,在非晶态与晶态的转变过程中控制共振调制深度。该结构简单易于制备,为完美反射器、磁镜等应用提供了理论模型和设计案例。

关键词：全介质超构表面 Fano共振高q因子连续域束缚态

等离激元高q共振微结构设计及其光谱特性研究

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等离激元高Q共振微结构设计及其光谱特性研究

作者：刘振强江西师范大学

学位级别：硕士

在纳米光子学和光电子学中,高q共振微结构器件具有十分广泛的应用前景,比如在光谱选择性热发射、传感、单光子发射、滤波、光镊和量子光学等领域具有极高的应用价值。基于时域有限差分法,本文设计并研究了两个高q共振微结构,主要内容如... 详细信息

在纳米光子学和光电子学中,高q共振微结构器件具有十分广泛的应用前景,比如在光谱选择性热发射、传感、单光子发射、滤波、光镊和量子光学等领域具有极高的应用价值。基于时域有限差分法,本文设计并研究了两个高q共振微结构,主要内容如下:提出了一种双不对称H形纳米柱阵列的MIM等离子体完美吸收器,与对称H形纳米柱相比,可得到三个尖锐的吸收峰。三个尖锐的吸收峰在近红外范围内实现了最小半峰全宽为3.1 nm、q因子最大为260、吸收幅度超过99.2%的完美吸收。此外,还证明了该吸收器具有高性能传感特性。通过改变环境折射率的光谱响应来研究灵敏度和品质因数。结果表明,三个共振吸收峰的灵敏度分别为788.0 nm/RIU、674.5 nm/RIU和697.9 nm/RIU,对应品质因数分别为254.2、92.4和110.8。提出了一个对称二聚体梯形硅纳米棒超表面用于近红外折射率传感器。该超表面结构在近红外波产生了两个具有高质量因子的Fano共振透射峰,通过对两个Fano共振产生的物理机制进行研究分析,印证了产生Fano共振的原理。之后,分析了结构的几何参数对Fano共振透射峰的影响,发现可以实现对两个Fano共振透射峰的同时或者独立调控。另外,通过改变入射光的偏振角,可以对Fano共振进行开和关操作且可以控制其调制深度。最后,通过改变结构周围的环境折射率对超表面的传感性能进行了分析,得到两个Fano共振透射峰的灵敏度分别为807.8 nm/RIU和933.3 nm/RIU,对应的最大FOM值分别为471和1681,q因子最大分别为1063和3369。

关键词：等离激元高q因子 Fano共振吸收器传感器超表面

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基于超表面的太赫兹器件研究

基于超表面的太赫兹器件研究

作者：李争争燕山大学

学位级别：硕士

太赫兹波段的电磁波具有良好的指纹光谱辨别能力,并且远远小于X射线的能量,因此,可以通过太赫兹波来获取物质的谐振特性谱线,从而建立一个数据库,以便于日后数据的采集和物质的识别。另外,太赫兹波段的电磁波具备宽带性,其在信息传输、... 详细信息

太赫兹波段的电磁波具有良好的指纹光谱辨别能力,并且远远小于X射线的能量,因此,可以通过太赫兹波来获取物质的谐振特性谱线,从而建立一个数据库,以便于日后数据的采集和物质的识别。另外,太赫兹波段的电磁波具备宽带性,其在信息传输、吸收器等方面也具备潜力。超表面结构作为一种新型人为设计材料,可以根据需求来设计结构,从而得到我们想要的一些特性。超表面结构除了能够对电磁场进行局域增强之外,还能对少量样品进行检测,并且还能通过调节结构参数来对谐振频率进行调控。所以,将太赫兹波段的电磁波与超表面两者结合起来能有效提高太赫兹功能器件的相关性能。本文研究的主要内容是结构的设计与性能的提升,提出了三种太赫兹功能性器件,包括高q因子的传感器、多波段传感器以及大带宽的吸收器,随后通过仿真软件CST Microwave Studio来进行仿真计算,并对结构设计、仿真结果、结构参数以及传感特性等进行了详细的分析,主要内容如下:1.提出了一种独特的E形结构,它可以通过调整光栅臂的位置产生不对称性破坏性地抑制偶极子辐射,从而降低辐射损耗。同时,由周期性排列的E形太赫兹超表面结构可以产生高q因子共振。研究了这种基于超表面结构的折射率传感器的传感特性,证明了其高灵敏度的优点。2.提出了一种用于早期癌症检测的多波段太赫兹超表面生物传感器的新设计。分析了不同设计参数下的吸收光谱和偏振独立性,通过调整传感器的吸收特性,提高了传感器的性能,并给出了计算结果。研究了不同样品的折射率和厚度对传感器的影响,并从理论上计算了传感器对基底细胞、乳腺细胞、宫颈细胞及其相应癌细胞的敏感性。3.提出了一种石墨烯太赫兹超表面吸收器。首先通过谐振特性分析,发现该传感器的谐振可分为局域表面等离子体共振(LSPR)和传播表面等离子体共振(PSPR)。其次,通过优化介质层,得到了最高的吸收谱线。同时,对于石墨烯层的结构参数我们也做出了调整,通过调节尺寸结构,我们在LSPR和PSPR两个吸收峰保持最高的情况下确定了一组最优的参数。最后还研究了结构的不灵敏性和可调谐性。

关键词：超表面太赫兹传感器高q因子高灵敏度吸收器石墨烯

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基于连续域束缚态模式的纳米激光研究

基于连续域束缚态模式的纳米激光研究

作者：毕伟林山东师范大学

学位级别：硕士

随着技术的进步,光子器件的尺寸越来越小,到目前为止其尺寸最小可以达到纳米量级。其中在对光子器件的研究中,纳米激光器的小型化和集成化得到了不断深入地探索。激光器中的光是以驻波的形式被限制,限制光而不吸收光是激光器的关键问题... 详细信息

随着技术的进步,光子器件的尺寸越来越小,到目前为止其尺寸最小可以达到纳米量级。其中在对光子器件的研究中,纳米激光器的小型化和集成化得到了不断深入地探索。激光器中的光是以驻波的形式被限制,限制光而不吸收光是激光器的关键问题。传统的激光器使用光学腔来实现激光行为,该激光腔利用反射镜、全内反射或光子晶体周期性结构中的散射来捕获光。对于这些系统,q因子相对来说较小,且q因子仅微弱地依赖于腔的几何形状。因此我们需要找到一种高q因子且可控的激光器。最近几年,连续域束缚态(Bound states in the continuum,简称“BIC”)因为其具有无限高q因子的无辐射状态引起了各大课题组的研究兴趣。真正的BIC只有在无限系统的理想状态下才能产生,在材料吸收以及结构的限制真正的BIC会转变为准BIC。准BIC具有超高的q因子和微小辐射,同样得到了广泛的关注。它可以应用到传感器、激光器、滤波器等众多领域,其中我们主要是对基于准BIC模式的激光行为进行研究。基于准BIC模式的纳米激光相比传统激光器有很大的优势,比如低阈值、产生高q共振的定向激光以及易调谐激光波长等。在本论文中,从理论上主要是对基于准BIC模式的纳米激光器展开研究,主要的研究结果如下:(1)利用高折射率全介电材料对偏心圆环的光谱特性进行研究。通过加入一个不对称参数偏移量d,比较在有无d情况下圆环的光谱特性。由于受对称保护,当d≠0时反射光谱会出现一个非常尖锐的峰。改变结构参数观察光谱特性,并且准确地计算出每个参数结构的q因子,q因子最大可以达到9.6×10,高q因子的特性使得偏心圆环非常适合用于激光。用FDTD Solutions软件对偏心圆环的激光行为进行仿真,实现了基于准BIC的纳米激光。得到激光阈值仅有6.46μJ/cm并且可以通过控制偏心纳米环的结构参数来调节激光波长和阈值。同时我们还比较不同材料的偏心纳米环的光谱特性和激光行为。(2)我们提出一种全新的纳米结构,对全介电材料的偏心纳米球进行光谱特性和激光行为的研究。与偏心纳米环的研究类似,当d≠0时反射谱线中会出现两个非常尖锐的峰。其中一个共振峰处的电场分布主要分布在内球和外球壳上,另一个峰处的电场只分布纳米球的空腔中。我们主要是对前者做出讨论研究,当不对称参数越小时,q因子和局域电场值就越大,准BIC就越接近真正的BIC。基于这两个优势,发现其激光阈值比偏心纳米环的阈值要低很多,仅为2.3μJ/cm,因此非常适用作为激光器。

关键词：纳米激光连续域束缚态高q因子低阈值全介电纳米结构