微纳光子结构是指内部微观周期在微纳尺寸,能够对光的产生、传输、调控、传感和探测具有特定作用的结构。由于具有新颖的结构特征和光学性能,随着光子学、半导体物理学及微加工技术的快速发展,微纳光子结构的制备及其性质研究成为光学和材料学领域的研究热点之一。本论文围绕微纳光子结构的制备和应用展开研究,利用激光全息非对称多光束干涉,获得了形貌各异、尺寸可控、不同介质的二维周期结构;利用金属溅射沉积和高温热处理技术,制作了不同粒径分布、结构单元和光谱响应特征的Au纳米颗粒;通过在Au纳米颗粒表面涂覆染料掺杂的聚合物膜层,获得了光泵浦下的激射现象。论文内容主要包括下述四个方面:一、基于多光束干涉理论,定性和定量的分析了光束偏振、光强对干涉的影响。偏振的变化改变了光波电场振幅矢量,从而改变了空间光场强度分布。光强的变化直接影响空间干涉场强度的分布,增大光束光强会提高干涉结构介质的占空比。实验研究中可以通过调节光束功率和曝光时间来控制光强大小,从而获得不同介质填充比的光子结构。二、从理论和实验上研究了非对称光束干涉技术制备二维微纳光子结构,分析了光束构型和偏振组合对结构形貌的影响。利用非对称4束光和5束光在不同偏振条件下干涉获得了结构单元不同、形貌各异、具有手性对称性的二维六角点阵结构。利用CHP-C正性感光胶和SU-8负性感光胶实验制备获得结构和周期与模拟一致的二维光子结构。所得结构面积大、均匀性好,为复式光子结构和手性特征光子结构的制备提供了方法。三、基于金属溅射沉积技术和高温热处理技术,实验获得了形貌和粒径不同的Au纳米颗粒结构。分析了溅射电流、溅射时间、加热温度和基底材质对Au纳米颗粒的形貌和性质的影响。在一定范围内,溅射电流越大或溅射时间越长,溅射所得Au膜越厚,获得纳米颗粒的粒径尺寸越大;在一定温度范围内,Au纳米粒子的排布随着温度的升高趋于细小整齐的球状排布;耐热性差的普通玻璃基底获得结构颗粒边缘粗糙、形状不规则结构,耐热性好的石英玻璃基底上获得球状、颗粒分布均匀的纳米颗粒。四、研究了Au颗粒表面上涂覆染料掺杂聚合物膜层后,在光泵浦下的激光发射现象和规律。对DCJTB:Au@PMMA模型,Au颗粒的形貌分布趋于均匀时更容易获得激射现象,激射阈值更低;粒径形貌不规则度越大、尺寸越大,样品的激射峰越红移。金属颗粒的消光峰与染料的荧光峰有重叠是获得金属颗粒增强激射的必要条件。随着泵浦光偏振的变化,激射峰强度发生改变,泵浦光偏振角度为45°时,激射光强度最大。利用355nm的紫外脉冲光激发F8BT染料涂覆的Au纳米颗粒和二维准晶结构,在不灼伤样品的前提下,获得了荧光增强放大效应。微纳光子结构的研究为光与物质的相互作用及光传输特性提供了结构与方法,为性能优越的人工超常介质结构的构建和发展提供了可行方向。微纳光子结构的制备开发为微型化、低能耗、高集成的新型光子器件提供了思路,有望促进微纳光子学、光信息技术和光电子产业的发展。
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