基于表面等离效应中单元结构多重几何特征依赖性的微纳滤光器

发布时间：2020-08-20 17:46

【摘要】：表面等离激元(SPPs)和局域表面等离子体(LSPs)是表面等离子体(SPs)的两种表现形式,并且具有局部场增强特性、亚波长以及场强局域化的特点。根据以上这些特性,表面等离子体能够在光子器件、红外遥感和生物传感等应用领域产生重大的影响。随着学者们对其的深入研究,逐渐形成了表面等离子体光子学(Plasmonics)这一学科。对于金属薄膜上孔阵列所产生的表面等离子体效应的研究,以及该效应所能设计出的器件,是近年来在表面等离子体光子学上的两个重要分支。本文采用了时域有限差分(FDTD)的方法,离散地处理了麦克斯韦方程,对光与物质作用的整个过程进行了仿真。研究了具有多重几何特征的周期性空心圆环孔阵列金属薄膜微结构,以及结构中增强光的透射特性。此外,基于多重几何特征所产生的不同共振模式,和它们之间的相互影响,设计了一种新型的表面等离子体滤光器,并验证了其可行性。主要内容如下所述:(1)解释并说明了表面等离子体的基本原理以及它所产生的增强光透射现象(EOT),调研了该课题在国内外的研究背景和现状;对FDTD方法离散麦克斯韦方程进行了详尽的阐述,在波源的设置、边界条件的采用和实验参数的设置上作了细致的分析。(2)数值模拟了不同孔阵列的增强光透射过程(圆、圆环、空心圆环孔阵列)。研究结果发现,空心圆环孔结构中不同几何特征所产生的共振模式相互耦合,会使得圆内SPPs共振模式下产生的电荷与外圆环内LSPs共振模式下产生的电荷发生转移。从而导致SPPs共振模式与LSPs共振模式相互影响,进而使得二者在可见光波段以及近红外波段产生的透射峰发生变化。(3)基于多重几何特征所产生的不同共振模式相互耦合的特征,提出并设计了一种新型表面等离子体滤光器。在性能上,通过仿真的方式系统地研究了在不同的单元几何参数下,滤光器性能受到的影响,实验表明:几何参数的改变,能够有效地调节表面等离子体滤光器的性能。在结构上,滤光器的尺寸小和结构简单等优点,能够使其在集成电路等的应用上发挥作用。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB851.7;O53
【图文】：

示意图,不同介质,示意图,电介质

将使得人们理解纳米微结构与表面等离子体激发之间的内在关系变得更加简单易懂。下图1.1 中，金属/电介质的界面为图中的 X-Y 平面，在空间 Z<0 中填充金属材料，其介电常数为m ；在空间 Z>0 内填充电介质其介电常数为1 的材料。现假设入射光为磁场平行于 y 轴的 TE 波，且 SPs 沿 X 轴方向传播。当入射光垂直照射到金属/电介质界面的表面时，在金属表面自由移动的电子与光子在达到共振频率后会进行共同的振荡，自此 SPs 在金属/电介质界面产生[5,6]。图 1.1 不同介质界面的 SPs 激发的示意图结合麦克斯韦方程组和表面等离子体的特性，能够将电磁场的形式用如下式子表示：（1）Z>0 区域，即在电介质中，i(kk)ddxdz(kk)dydxdzdxdzE(E,0,E)eH(0H,0)e i

表面等离子体,色散关系,介电常数,导出表

切线方向需连续，可得，21spp0kk()mdmd ………………介电常数m <0，由此可以得到 ||m d 率ω对于金属的介电常数m 有重要的影导出表面等离子体的波矢sppk 的色散关系，可以通过下面的 Drude 模型来表示： ip2m( )1………………振荡频率表示为2p 。表示散射速率，

激发方式,说明图,实验过程,金属薄膜

它的基本原理是：在棱镜表面镀上一层金属薄膜，当入射光在金属薄膜与棱镜的交界面上发生全反射时，会产生上文中提到的倏逝波来激发 SPs。在 Otto 结构中，当所选的金属薄膜和三角棱镜表面中有一定的空气小狭缝的时候，倏逝波也能够在其中产生全反射，从而产生 SPs[8,9]。如图 1.3(b)中所示，如果能够在金属和介质的界面构造出光栅，且光栅有一定的周期，那么在金属和介质的界面上的光栅便能产生衍射波，使其达到波矢匹配的程度，这样的方式同样能够在金属薄膜和介质的界面上激发出 SPs[7]。图 1.3(c)中所表达的方式则是将波导两侧的消逝波中的场能，使用耦合的方式在结构中激发 SPs[13]。图 1.3(d)所示的激发方式和Kretschmann 结构中的激发方式非常类似，这种是在金属和衬底介质的界面上通过物镜聚焦入射光，可以在界面上实现对 SPs 的激发[14]。如图 1.3(e)所示又是另外的一种情况，在探针尖端处能够人为的发射出来的光，而这束光能够一定程度上激发 SPs[15]。

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