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过去的20年中,纳米光子学领域经历了一个前所未有的发展阶段。随着纳米科技与制造工艺的的惊人发展,与之同步紧密发展的纳米光子学领域浮现出了许多方法去实现突破光的衍射极限。表面等离激元是光波与振荡的自由电子耦合束缚于金属与介质表面的一种电磁模式。它可以突破光的衍射极限,在纳米光学的应用中有很大的应用前景。对于纳米光学器件与集成光路的将来应用,小型化是最基本的要求。具有光学色散可调的纳米谐振腔是光学器件的基本元件之一。表面等离激元腔提供了将光场局域在小于波长立方的狭小空间内。本论文主要介绍一种制备全金属纳米结构的新方法和在制备的金属纳米腔中利用阴极荧光系统对纳米腔的共振特性以及实现共振模式成像的系列研究。 主要内容包括: 1.我们结合模板剥离法与电子束曝光过的PMMA层来获得具有超平滑以及大的高宽比的全金属纳米结构。该方法简单易行,制备得到的金属结构特点有:(1)精确的复制了PMMA层结构;(2)由于金属的表面平整度完全复制硅与PMMA层,金属的表面非常平滑。(3)带有很大高宽比的高对比度结构可以用该方法制备得到,而且金属结构的高度可以通过改变PMMA层的高度来获得。(4)由于电子束曝光的灵活性,金属结构的形状、大小、间距可以实现三维控制。 2.我们利用阴极荧光系统研究了在四方围栏型纳米腔中表面等离激元的限域模式。表面等离激元电场的面外分量决定了实验上观测到的模式图案,这表明电子束局域的激发表面等离激元的面外分量。超级光滑的银表面与金属壁的高反射率使得能够从实验上得到的光谱中直接给出纳米腔的品质因数。由于三维局域效果与反射壁全方向的反射,纳米腔拥有非常小的模体积、几何体积、丰富的模式以及灵活的模式控制。 3.通过对比其它制备工艺得到的同尺寸金属纳米结构,我们研究了三角型纳米腔中表面等离激元共振特性与成像模式。我们进一步证明了该方法在金属纳米腔中获得清晰以及丰富的表面等离激元模式中起到关键作用。我们的方法提供了可重复制备高质量的表面等离激元纳米结构以及直接“看到”局域在纳米腔中的表面等离激元共振模式。 4.我们从实验上证明了在开口圆柱形纳米腔中表面等离激元共振特性对腔高度的依赖性。这是由于三维尺度上强的电磁场局域。这给我们提供了一种新方法去改变纳米腔中表面等离激元色散关系。利用阴极荧光直接观察共振波长处的方位角与轴对称表面等离激元模式。表面等离激元模式与光学垂直腔模式可以同时被激发并且存在于纳米腔中。在500纳米高的纳米腔中最大的品质因子达到了73。最小的模体积只有0.031π3SPP,对应的珀赛尔因子是71。开口型纳米腔提供了与光学发光体之间相互作用的空间。可望实现许多应用如表面等离激元发光器件以及纳米激光器。 5.我们制备以及证实了表面等离激元垂直纳米腔。利用阴极荧光获得腔长在120-840纳米的纳米腔的共振波长。获得了这些纳米腔的色散关系,从色散关系可以得知局域在纳米腔中的表面等离激元波长远小于自由空间的光波长。利用时域有限差分法计算的结果与实验吻合很好,这使得我们可以利用数值计算来获得模式图像。表面等离激元垂直纳米腔具有的强光场局域以及简单制备使得它很有可能实现纳米尺度的垂直腔表面发射激光器。