亞波長(zhǎng)金屬材料及低維納米結(jié)構(gòu)光學(xué)性能調(diào)控研究.pdf

1、亞波長(zhǎng)金屬材料呈現(xiàn)出許多迷人的物理現(xiàn)象，在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理和近場(chǎng)光學(xué)研究的熱點(diǎn)。在光與亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)相互作用而引起的許多現(xiàn)象中，表面等激元起到了至關(guān)重要的作用。 因此，對(duì)表面等離激元傳播行為、規(guī)律及其操控手段的認(rèn)識(shí)和探索，理論上將進(jìn)一步加深和豐富人們對(duì)光與亞波長(zhǎng)金屬材料相互作用的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也將促進(jìn)新一代微納光子器件、全光回路的研究進(jìn)展。 本論文采用時(shí)域有限差分法(FDTD)針對(duì)亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)中表面等

2、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(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究；在有效質(zhì)量近似下對(duì)含結(jié)構(gòu)缺陷半導(dǎo)體超晶格光學(xué)性質(zhì)等問題進(jìn)行了計(jì)算，獲得的主要結(jié)果如下： 通過改變相鄰兩波導(dǎo)的縫隙高度和在窄縫波導(dǎo)插入高折射率介質(zhì)材料的方法，在理論上提出寬帶隙等離子波導(dǎo)的設(shè)計(jì)原理。改變這種等離子波導(dǎo)的其中一層的寬度，在原來的光子禁帶中出現(xiàn)了局域共振電磁模，并且這種電磁模局域在缺陷附近隨著禁帶寬度的加大而耦合減弱。提出在每個(gè)周期包含三個(gè)MIM波

3、導(dǎo)的多禁帶等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)SPPs禁帶的個(gè)數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整，數(shù)值模擬計(jì)算證實(shí)這種三元金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以形成多個(gè)光子禁帶，在透射譜上的光子禁帶之間的寬度可以通過改變其中相鄰兩層波導(dǎo)的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為相關(guān)納米光子器件設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 研究了復(fù)合原胞周期性金屬納米方孔陣列的SPPs相位共振，發(fā)現(xiàn)復(fù)合金屬納米孔陣列的對(duì)稱性破缺引起表面等離激元相位匹配條件被破壞，這使得在SPR共振透射帶內(nèi)特定的波長(zhǎng)處透射率突然急劇降低形成SPPs相位共

4、振。對(duì)于大小完全相同的復(fù)合周期方孔陣列，SPPs傳播過程中的的相位差別主要依賴于孔陣列的對(duì)稱性，當(dāng)孔陣列的對(duì)稱性發(fā)生改變時(shí)，透射譜的簡(jiǎn)并性隨之發(fā)生變化。 提出交替地填充兩種不同的介質(zhì)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合金屬納米孔陣列透射譜的調(diào)制。計(jì)算表明：當(dāng)矩形孔的有效折射率差別較大時(shí)，孔的幾何排列方式以及孔間距離并不能明顯地改變矩形孔透射譜中由于局域表面等離子共振形成的透射峰；當(dāng)矩形孔的有效率折射率差別較小時(shí)，復(fù)合矩形孔陣列的排列方式對(duì)透射譜有一

5、定的影響。 只有在局域共振峰與表面等離子共振峰重合時(shí)，孔間距離的改變只能在一定程度上改變透射譜的簡(jiǎn)并性。這些結(jié)果表明，通過改變孔內(nèi)填充介質(zhì)材料以及孔的排列方式通過改變矩形孔電磁模的耦合關(guān)系，有效調(diào)控LSP激發(fā)、耦合效率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透射譜的調(diào)節(jié)。這些研究結(jié)果為理解光與復(fù)合周期金屬結(jié)構(gòu)的相互作用提供了新的知識(shí)。 探討了結(jié)構(gòu)缺陷和組分層厚度對(duì)含結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體超晶格光躍遷幾率的影響，分別計(jì)算了局域電子態(tài)-局域電子態(tài)之間和局域電子