一种新型的表面增强喇曼方法研究

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微纳尺度贵金属表面对于电磁场有异常的增强作用,这种现象对于喇曼检测有重要意义。本文对金属纳米粒子的光学性质展开探讨,研究了金纳米颗粒的消光性质及场增强效果,对于亚波长金属光栅的透射、反射、局域场增强性质进行分析,并设计了新型的局域场增强结构。本文内容包括以下四个部分:一、利用离散偶极近似法了解金纳米圆球消光性质,得到了吸收系数和散射系数与粒子尺寸和入射波长的变化曲线。二、利用有限元法模拟了不同尺寸和间距的金纳米粒子在不同波长下对于电磁场的近场增强作用,得到了单纳米线、单三角、纳米线二聚体和三角二聚体在平面波激励下的场增强结果,对于不同情况下的电磁场增强进行了深入的分析。研究了电四极距共振模式主导下的近场耦合与电偶极距共振主导的近场耦合的异同。三、用严格耦合波法对周期性亚波长金属光栅进行了理论分析,得到在此结构下TM入射光的电磁场分布。利用结构的上表面作为喇曼增强的基底,计算得到喇曼增强因子为103。系统地研究了固定结构参数下影响光栅透射特性的四种因素,分别为:在入射波长跟狭缝周期相等时导致的掠入射效应、跟狭缝深度相关在狭缝内部形成的类F-P共振效应、跟狭缝周期相关的上下表面spp共振效应、spp与类F-P共振峰接近时的耦合效应。系统总结了这四种效应对于共振峰的影响,为超强透射型光栅设计提供了理论依据。四、为了获得更强的局域场实现更好的喇曼增强效应,本文提出了在亚波长金狭缝中放置两列紧邻金纳米线的结构,将两纳米线近场耦合效应和类F-P共振对电场的放大作用结合起来实现纳米线间更强的电磁场。理论分析得出,两纳米线间电场强度在狭缝深度增加时呈现周期性起伏变化,在狭缝周期近似等于入射波长附近呈现突变趋势,在纳米线间距增加时呈现指数递减。用有限元方法对增强机理进行了仿真,结果显示,在650nm入射狭缝周期为600nm深度为310nm时,电场增强为200倍,此时两金纳米线中心热点处达到109的喇曼增强因子,比单纯的两根金纳米线的热点处增强因子提高了3个数量级。
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