金屬—介質(zhì)—金屬結(jié)構(gòu)中表面等離子特性研究及器件設計.pdf

1、自從1998年美國Ebbesen科研小組在實驗上觀測到光在金屬亞波長周期性孔陣列上的異常透射現(xiàn)象以來，亞波長金屬結(jié)構(gòu)對光波異常透射的物理機理及其應用一直都是學術(shù)界研究的熱點。在光與亞波長金屬結(jié)構(gòu)的相互作用而引起的各種新穎現(xiàn)象中，表面等離激元起到了至關(guān)重要的作用。因此，對表面等離激元的激發(fā)方式、傳輸規(guī)律及調(diào)控手段的認識和探索，將在理論上加深和豐富人們對光與亞波長金屬材料相互作用的認識;同時對基于金屬表面等離激元的微納光電器件的探究及設計，

2、將促進新一代微型光電子器件、光電集成及全光回路等的研究進展。針對亞波長金屬結(jié)構(gòu)中表面等離激元的物理特性、傳播規(guī)律、調(diào)控手段及相關(guān)應用等問題，本論文采用時域有限差分方法(FDTD)進行了較為系統(tǒng)的研究。本文的具體工作和研究結(jié)果主要有:
　　 利用數(shù)值模擬的方法對亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)中表面等離激元傳播規(guī)律、行為的人工調(diào)控問題以及相關(guān)光學性質(zhì)進行了比較系統(tǒng)的研究;通過對單縫、單縫填充介質(zhì)、雙縫、多縫復合加槽、三元復合金屬光柵、斜入射等結(jié)

3、構(gòu)進行模擬計算了其透射譜和光場強分布，分析了透射增強的內(nèi)在機理。認為，表面等離子體激元(SPPs)和類Fabry-Perot(F-P)腔是EOT現(xiàn)象的主要作用機制，而在多縫結(jié)構(gòu)中相位共振會對透射譜產(chǎn)生一定影響，如劈裂的產(chǎn)生。
　　 研究了可見光到近紅外頻段的電磁波與表面等離子體亞波長復合金屬光柵的相互作用，主要研究了這種亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)的色散特性以及電磁波在這種結(jié)構(gòu)中的傳輸特性、光強分布、相位分布等物理性質(zhì)。根據(jù)電磁波在亞波長

4、復合金屬光柵中的各種特性，提出了每個狹縫都含有一個垂直切口的雙狹縫復合周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)，研究了電磁波與這種結(jié)構(gòu)的相互作用及光透射等各種特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當垂直切口在兩狹縫中分布不對稱時，該結(jié)構(gòu)對電磁波的傳輸模式（偶/奇數(shù)波導模式）將出現(xiàn)不同的性質(zhì);特別是該復合周期性結(jié)構(gòu)的傳輸譜在一定條件下出現(xiàn)透射最小值(dip)，該最小值的位置可以通過在狹縫中移動切口的位置進行改變。我們利用相位共振的原理合理解析了電磁波在這種含垂直切口的雙狹縫亞波長周

5、期性復合金屬光柵中各種物理特性;研究還證明了垂直切口的幾何尺寸對所研究的金屬光柵中相位共振的影響，并結(jié)合模擬的場強和圖像討論了其物理特性。
　　 基于亞波長金屬表面等離子體激元波的各種特性，研究了電磁波與金屬-絕緣體-金屬(MIM)光波導的相互作用及在這種波導中的傳輸特性。根據(jù)SPPs在MIM波導中特別是在缺陷型MIM波導結(jié)構(gòu)中的物理特性，提出了一種新型的同側(cè)雙齒型MIM波導結(jié)構(gòu)。深入系統(tǒng)地研究了SPPs在這種波導結(jié)構(gòu)中的各種特

6、性，發(fā)現(xiàn)此同側(cè)雙齒型MIM波導結(jié)構(gòu)可以對電磁波實現(xiàn)濾波功能;通過調(diào)控雙齒的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒的長度、寬度及兩齒的中心間距等可以對濾波頻率及帶寬等進行有效調(diào)諧;在僅僅改變一個齒的寬度而另一個齒的寬度和其它參數(shù)保持不變的情況下，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對SPPs濾波的禁帶寬度可以實現(xiàn)有效的調(diào)控;我們利用相位多重相消干涉原理合理解析了這些物理特性。由于該亞波長MIM光波導濾波器的帶寬可調(diào)，該結(jié)構(gòu)將對設計高集成的納米光電器件提供一定參考價值。