题目：表面激元器件的传输特性及增强效应研究

 

        表面激元是当今的一个研究热点，有着巨大的应用前景。表面激元作为一种微观尺度上的电磁场存在模式，具有许多奇特的性质，如场约束效应、透射增强、场增强，高共振灵敏度等，因而被广泛应用于纳米集成光学器件、光学传感、太阳能电池、生物检测和新型光源等领域。表面激元的发展主要分为两个方面，传导表面等离激元和局域表面等离激元。其中，基于局域表面等离激元的表面增强拉曼散射（SERS）在生物医药、化学、环境等方面发挥重要作用。目前，局域电场增强被普遍认为是SERS效应产生的主要原因，传统的SERS激励方式主要通过透镜的空间光学组合将入射光聚焦到拉曼活性结构。但是由于光学系统尺寸较大，结构复杂，稳定性和灵活性受到了影响，同时聚焦光束的光强会受到衍射极限的制约，激励效率有待提高。基于表面等离激元的结构器件具有突破衍射极限的特点，为SERS研究方面提供了很好的契机。

       针对现有SERS激励方式存在的问题，本论文提出了利用表面激元器件激励SERS的方式。论文主要内容包括以下几个方面：

       1.简要回顾了表面激元的发展，首先介绍了现有的具有代表性的表面增强拉曼散射的产生机理，表面增强拉曼散射活性结构以及激励方式。提出了利用非对称长程表面等离激元波导和金属光栅激励核壳隔绝纳米金属颗粒SERS活性结构的方法。

       2.针对非对称长程表面等离激元波导结构，提出了两种具体的配置方式：缓冲层覆盖型和介质膜支撑型。针对本文的应用场景，理论计算了长程模式的截止条件，分析了波导结构变化对传输距离和作用于拉曼活性结构的电场强度的影响。通过数值仿真，研究了核壳隔绝纳米金属颗粒不同排列方式对SERS激励效果的影响。结果表明对于两个粒子沿波导传输方向排列的方式，两种波导结构分别可以实现108和1012的拉曼增强。

       3. 针对金属光栅结构，分析了金属光栅激励表面等离激元波的形成条件，研究了金属光栅结构变化对表面等离激元驻波场的分布和增强效果的影响。结合核壳隔绝纳米金属颗粒SERS活性结构，模拟计算了金属光栅的SERS激励效果，估算得到的拉曼增强因子为108-1010。