Optical Properties of Metallic Nanowires and Their Applications in Photonic Devices

• Main Authors: Hsu, Shen-Yu, 許勝裕
• Other Authors: Lee, Ming-Chang M.
• Format: Others
• Language: en_US
• Published: 2009
• Online Access: http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/56051526036152267093

博士 === 國立清華大學 === 光電工程研究所 === 98 === 本論文的主題為奈米金屬波導之研究與應用，在內文中探討了三種不同光在奈米金屬波導中的傳播行為與光學特性。首先，我利用近場光學顯微術結合洩漏模式光學顯微術來研究光在介電負載的表面電漿波導的模態。接下來，我們發現當光傳透過奈米尺度的金屬狹縫，會引發巨大雙折射性質。這個特別的光學特性，無論在我們理論的計算或是實驗的驗證中都擁有很好的一致性，同時我們也得到一個巨大雙折射率差高達2.7(2008年的世界紀錄是1)。最後在本論文中，我們利用週期性的奈米金線的區域化表面電漿共振引發的高散射能力去增加有機發光元件的出光效率。 首先，我們利用近場光學的光纖探針去產生表面電漿子波，進而激發數百奈米寬的通道式光學電漿子波導。相較於傳統的直接耦合激發，近場激發不僅具有較高的空間解析度，而且在富氏空間具有較寬的角度頻譜。在此，漏模式光學顯微術幫助我們直接觀察光在介電負載的表面電漿波導傳播的情形，同時也利用電荷耦合元件取得影像。在1986年的文獻中首度指出，在介電質-金屬-介電質類型的波導中存在著對稱性與非對稱性的傳播模態。到目前為止，只有對稱模態被人類所觀察且應用，但是非對稱模態至今只在理論的計算上被實現，本論文是第一個在實驗上證明非對稱模態。在研究中，一些特別的干涉現象成功地被發現，而且這發現在實驗上證明了非對稱性的傳傳播模態存在。除此之外，這個近場激發的裝置也被應用來研究表面電漿波導的轉彎特性。結果顯示只要在特定的位置激發，被激發的表面電漿子波的確可以在L型波導中作垂直的轉彎。 除此之外，在研究中我們發現當一道橫向電場跟一道橫向磁場的光同時穿透過一個週期性的奈米狹縫，此兩道光可以造成一個相位差。橫向電場的光相位會超前橫向磁場的相位，因為橫向磁場會引發表面電漿，使得傳播常數變大造成相位延遲，而這個相位延遲便會形成光學的複折射性質。在研究中，我們發現這個複折射性質跟狹縫寬度有直接的相關，當狹縫寬度為300奈米時，引發的複折射係數為~1，但是當狹縫寬度增少至100奈米時，所引發的複折射係數高達~2.7。此外，在光譜的量測中，利用奈米金狹縫所製成的1/4波長板具有很大的使用頻寬。 最後在這本論文中，利用週期性的奈米金線引發的區域化表面電漿共振效應所產生的高散射能力，增加發光元件的出光效率達一倍的亮度。除此之外，本研究還發現，藉由調變金線的週期還可以控制不同的顏色的光被取出，在這類型的元件中，從藍色到紅色皆可以順利地被取出。針對於Alq3系列的元件，以100奈米寬，450奈米週期的週期性金線陣列，可以從玻璃基板中多取出46%的光子，從有機材料中取出80%的光子。