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1、湖南大学毕业设计（论文）第II页HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目控光控电液晶等离激元荧光 激励方法分析与设计 学生姓名学生学号专业班级 自动化1102学院名称 电气与信息工程学院指导老师学院院长 2015年5月25日湖 南 大 学毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名：日期：200 年 月 日毕业论文版权使用授权书本
2、毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。本论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）学 生签名：日期：200 年 月 日湖南大学毕业设计（论文）第30页摘 要近些年来，表面等离激元理论和技术的研究逐步深入，推动了新型光电器件的发展并引起了人们广泛关注。本文基于金属表面等离激元效应，构造亚波长金属孔阵列。通过调变孔内尖端距离、数目、角度以及分析
3、其CST仿真反射光谱，对比不同金属孔阵列表面等离激元效应的差异，并进一步通过2D/3D仿真结果分析孔结构中的表面等离激元效应。通过常规光学测试得到了亚波长金属孔阵列的透射光强分布，观察到在孔及尖端边缘出现多个光增强点，从而验证了亚波长金属孔阵列在红外入射光激励下，可有效产生可见光谱域表面等离激元发射现象。此外，通过构建电控液晶微透镜结构，可有效汇聚亚波长金属孔阵列所激励的表面等离激元。关键词:表面等离激元；亚波长结构；金属孔阵列；尖形图案Fluorescence Excitation Method Analysis and Design of Liquid-Crystal Plasmons t
4、hrough controlling driving-electricity and incident-lightAbstractWith gradually deepened researches on the theory and technologies of surface plasmons, many new types of photoelectronic devices are developed and also aroused a wide concern about surface plasmons. In this dissertation, a sub-waveleng
5、th metallic hole array structure based on surface plasmon effect is constructed. Through adjusting the relative distance between holes and then the number and the angle of the sharp-tips in the holes and analyzing the reflection spectrum simulation by CST software, the difference of the surface plas
6、mon effect of sub-wavelength arrays with different hole size are compared. The surface plasmon effects are carefully analyzed by the 2D/3D simulation results. The transmission light intensity distributions of sub-wavelength metallic hole arrays are obtained through common optical measurements. Multi
7、ple intensity enhancement points of formed light fields are detected remarkably at the edge of the hole side and also the sharp-tips, and thus confirm that sub-wavelength metallic hole array excited by infrared incident-light can generate effectively surface plasmon emission in the visible range. In
8、 addition, through construction liquid crystal (LC) microlens structure, the surface plasmons of the sub-wavelength metallic hole array can be focused efficiently by controlling the voltage signal applied over the LC microlenses.Key Words：surface plasmon；sub-wavelength structure；metallic hole array；
9、 sharp pattern目 录1 绪 论11.1背景及目的11.2国内外研究现状11.3研究内容21.4章节安排22 基本物理属性32.1液晶的性质和基本参数32.1.1液晶分类32.1.2液晶光电效应52.1.3电控液晶器件52.2表面等离激元72.2.1传导型表面等离激元激元72.2.2局域表面等离激元82.2.3表面等离激元应用92.3荧光112.3.1荧光分析112.3.2表面增强荧光123 亚波长金属孔阵列结构设计与分析153.1不同尖端距离下的亚波长金属孔阵列表面等离激元特性163.2不同数目尖端的亚波长金属孔阵列表面等离激元特性193.3尖端角度变化对亚波长金属孔阵列表面等离
10、激元特性的影响243.3实验结果分析25总 结27致 谢29参考文献301 绪 论1.1背景及目的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）光学结构和器件可以在纳米尺度上操纵和控制光子。本论文基于金属表面等离激元效应来设计新的高性能光学器件，以实现对光学探测性能的高要求。1.2国内外研究现状虽然早在1600多年前，古罗马的艺术家们就利用金属纳米结构特殊光学性质制造出神奇的玻璃制品，但是直到20世纪初，科学家们才系统地对表面等离激元进行研究。1956年，David Pines阐述了电子穿越金属时损耗特性，并把损耗归因于金属中自由电子集体震荡，并把这种自由电子
11、集体震荡称作“等离激元体”。次年，Rufos Ritchie研究表明在金属表面存在表面等离激元，这也是第一个SPPs理论描述。SPPs光学发展的早期，研究员不仅对SPPs基础理论进行研究，还探讨了SPPs在实际中的应用。近年来，亚波长结构因为自身的特殊性质，成为物理研究中的热点之一。1998年，EbbesenT. W.小组在研究周期性亚波长金属薄膜光透射特性时发现，光的透射系数比预测值高了12个数量级，即光异常透射现象，这一现象激发了众多研究者的研究热情，进而在理论和实验上得到更深入的研究。大量实验结果表明，金属膜厚度、入射角度、孔洞结构形状等因素有关。自1998年EbbesenT. W.等人
12、发现光异常透射现象以来，大部分研究员用入射光波和金属表面的表面等离激元相互耦合来解释这一现象。因为金属孔洞中表面等离激元共振形成了较窄的透射频带，使得金属表面等离激元的应用受限制，所以基于非共振原理增强透射现象的研究更具意义。根据在金属表面传播是否具有连续性，可以将表面等离激元分为传导型和局域型。近年来，国外研究员对两种表面等离激元做出了深入研究，我国对此方面的研究也给予高度的重视。2010年，香港中文大学Xiao 等在硅表面设计金属孔阵列结构并研究其太赫兹射特性1。2012年，瑞典科学家Tomasz等通过对金粒子阵列研究发现，金属颗粒之间的最小距离会对阵列中谐振峰半高宽及消光比产生影响2。1
13、.3研究内容本文的研究内容主要有以下几个方面：(1) 周期性金属阵列结构的设计与仿真在这里我们并不是采用金属颗粒结构，而是选择硅衬底铝薄膜结构，并在铝膜上设计不同形状的孔洞来观测其表面等离激元效应。由于孔洞形状越复杂，尖端越多，热点也越多，所以将孔洞设计成具有尖端的形状，并且使尖端相互靠近。改变尖端的尺寸、形状、数量、相对位置、距离等因素，通过用仿真软件进行仿真，分析各种因素对其表面等离激元效应的影响。(2) 仿真结果分析用CST仿真软件建立亚波长金属孔阵列结构，以红外波段的光波作为入射光，并在不同频率点监测电场变化。通过2D/3D电场分布图可以观察到不同金属孔阵列结构表面等离激元效应。此外，
14、还可以分析其反射光谱来对比不同结构的表面等离激元效应的差异。(3) 实验结果分析在测试光路系统中得到亚波长金属孔阵列结构单周期透射光强分布。观测光增强点出现的位置是否与仿真结果一致。从而通过实验来验证亚波长金属孔阵列结构在入射光作用下激发了表面等离激元。1.4章节安排第一章是本文的绪论。首先介绍了本文的研究背景以及表面等离激元的国内外研究现状，然后简略介绍了研究的内容过程，并在最后对本文的章节安排与内容编写作出了说明。第二章分别介绍了表面等离激元、液晶与荧光增强相关理论。对于表面等离激元，重点介绍了其分类、各种因素的影响以及它在不同方面的应用。然后接着介绍了液晶材料基本特性，并介绍了该材料在液
15、晶微透镜中的应用。最后阐述了荧光特性以及荧光增强原理。第三章提出了硅衬底铝膜亚波长金属孔阵列结构，通过改变尖端参数，并研究结构的变化对表面等离激元特性的影响。改变孔内尖端数量，并将尖端角度从以为步长依次改变，根据反射率随角度变化而改变的情况找到最优结构。第四章总结了本文的研究成果，回顾了研究工程中遇到的苦难，反思了工作中的欠缺，并对今后的工作进行展望。2 基本物理属性2.1液晶的性质和基本参数2.1.1液晶分类液晶在大体上可分为纯有机分子、液体中的棒状物、双亲性化合物、压致液晶、流质液晶这五类，还可分成向列型、胆甾型及近晶型三类。图2.1为向列型液晶分子排列图。虽然其重心的排列呈无序状态，但有一个平均方向。因此在与有序排列垂直的方向上，向列相物质介电常数与折射系数互不相同，所以才有了液晶显示的出现。这种液晶粘度小，易受外来因素影响，其分子矢可以由外力决定。图2.2为胆甾型晶液分子排列图。从局部看，分子中心排列无序，趋向于某公共方向，从整体看，在空间排列呈螺旋状。其螺距p和可见
