微納光子結構是指內部微觀周期在微納尺寸,能夠對光的產生、傳輸、調控、傳感和探測具有特定作用的結構。由于具有新穎的結構特征和光學性能,隨著光子學、半導體物理學及微加工技術的快速發展,微納光子結構的制備及其性質研究成為光學和材料學領域的研究熱點之一。本論文圍繞微納光子結構的制備和應用展開研究,利用激光全息非對稱多光束干涉,獲得了形貌各異、尺寸可控、不同介質的二維周期結構;利用金屬濺射沉積和高溫熱處理技術,制作了不同粒徑分布、結構單元和光譜響應特征的Au納米顆粒;通過在Au納米顆粒表面涂覆染料摻雜的聚合物膜層,獲得了光泵浦下的激射現象。論文內容主要包括下述四個方面:一、基于多光束干涉理論,定性和定量的分析了光束偏振、光強對干涉的影響。偏振的變化改變了光波電場振幅矢量,從而改變了空間光場強度分布。光強的變化直接影響空間干涉場強度的分布,增大光束光強會提高干涉結構介質的占空比。實驗研究中可以通過調節光束功率和曝光時間來控制光強大小,從而獲得不同介質填充比的光子結構。二、從理論和實驗上研究了非對稱光束干涉技術制備二維微納光子結構,分析了光束構型和偏振組合對結構形貌的影響。利用非對稱4束光和5束光在不同偏振條件下干涉獲得了結構單元不同、形貌各異、具有手性對稱性的二維六角點陣結構。利用CHP-C正性感光膠和SU-8負性感光膠實驗制備獲得結構和周期與模擬一致的二維光子結構。所得結構面積大、均勻性好,為復式光子結構和手性特征光子結構的制備提供了方法。三、基于金屬濺射沉積技術和高溫熱處理技術,實驗獲得了形貌和粒徑不同的Au納米顆粒結構。分析了濺射電流、濺射時間、加熱溫度和基底材質對Au納米顆粒的形貌和性質的影響。在一定范圍內,濺射電流越大或濺射時間越長,濺射所得Au膜越厚,獲得納米顆粒的粒徑尺寸越大;在一定溫度范圍內,Au納米粒子的排布隨著溫度的升高趨于細小整齊的球狀排布;耐熱性差的普通玻璃基底獲得結構顆粒邊緣粗糙、形狀不規則結構,耐熱性好的石英玻璃基底上獲得球狀、顆粒分布均勻的納米顆粒。四、研究了Au顆粒表面上涂覆染料摻雜聚合物膜層后,在光泵浦下的激光發射現象和規律。對DCJTB:Au@PMMA模型,Au顆粒的形貌分布趨于均勻時更容易獲得激射現象,激射閾值更低;粒徑形貌不規則度越大、尺寸越大,樣品的激射峰越紅移。金屬顆粒的消光峰與染料的熒光峰有重疊是獲得金屬顆粒增強激射的必要條件。隨著泵浦光偏振的變化,激射峰強度發生改變,泵浦光偏振角度為45°時,激射光強度最大。利用355nm的紫外脈沖光激發F8BT染料涂覆的Au納米顆粒和二維準晶結構,在不灼傷樣品的前提下,獲得了熒光增強放大效應。微納光子結構的研究為光與物質的相互作用及光傳輸特性提供了結構與方法,為性能優越的人工超常介質結構的構建和發展提供了可行方向。微納光子結構的制備開發為微型化、低能耗、高集成的新型光子器件提供了思路,有望促進微納光子學、光信息技術和光電子產業的發展。

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