利用COMSOL提升研究生表面等离激元光学的教学质量——以表面等离激元光波导为例
发布时间：2021-06-06 18:15
表面等离激元具有极强的局域场增强效应,能突破光学衍射极限,为纳米尺度上光的调控提供了一种可能的途径,被认为是实现纳米量级集成光子学器件的最优方式之一,近年来已发展成一门新型的学科——表面等离激元光子学。将基于有限元的COMSOL软件引入表面等离激元光学的教学过程中,能有效地将科学前沿与研究生课程教学有机地结合在一起,用学科的前沿案例吸引学生的学习兴趣,用课程的系统性理论提供科学研究的新思路,以达到科研与教学互相促进的作用。本文结合笔者9年的教学经验,以COMSOL在表面等离激元光波导教学中的应用为例,介绍波导模面积和传播常数等工作参量的求解过程,加深了学生对表面等离激元波导模式的理解,激发了学生学习的主动性,提高学生仿真实践能力和设计新型波导的创新能力,对提升人才培养质量具有积极作用。
【文章来源】：科技视界. 2019,(19)
【文章页数】：2 页
【部分图文】：
不同半径情况下的模面积和传播距离（b）传播距离与半径的
科技创新科技视界Science&TechnologyVision科技视界Science&TechnologyVision效模面积定义为：Am=乙P（x,y）dxdy/max[P（x,y）]，其中P（x,y）=E（x，y）×H（x，y）是能流密度（波印廷矢量）。传播距离L=λ/[4πIm（Neff）]。COMSOLRF模块的模态分析（ModeAnalysis）可方便求解以上方程。考虑半径R=60nm的银圆柱纳米线波导，置于折射率为1.5的油中。设工作波长为λ=632.8nm，银的有效介电函数为：n=0.0273+4.2241i。其最低阶的三个模式如图1所示，且有效模指数分别为：Neff1=1.9055+0.0052069i,其模场不依赖于方位角（模式m=0）和Neff2=Neff3=1.5506+0.001366i，为简并模式，分别为x方向和y方向的偶极模（模式m=±1），具有相同的模面积和传播距离。图1银圆柱纳米线波导最低阶的三个模式图2展示了不同半径情况下以上两种情况下的模面积和传播距离，其中A0=λ2/4，由图2（a）我们发现：随着半径的增大，基模（m=0）模面积增大，而高阶模（m=1）模面积急剧减小，当R=70nm附近时，具有相同的模面积。对于传播距离（图2（b）），低阶模式随着半径的增大传播距离增大，而高阶模式恰恰相反，传播距离急剧减小，在所考虑的半径范围内，高阶模式传播距离均大于低阶模式。（a）模面积与半径的关系（b）传播距离与半径的关系图2不同半径情况下的模面积和传播距离利用以上方法，我们可研究各种不同截面形状和材料构成的波导，譬如杂化波导[10-11]，介质波导[12-13]，表面等离激元波导[
科技创新科技视界Science&TechnologyVision科技视界Science&TechnologyVision效模面积定义为：Am=乙P（x,y）dxdy/max[P（x,y）]，其中P（x,y）=E（x，y）×H（x，y）是能流密度（波印廷矢量）。传播距离L=λ/[4πIm（Neff）]。COMSOLRF模块的模态分析（ModeAnalysis）可方便求解以上方程。考虑半径R=60nm的银圆柱纳米线波导，置于折射率为1.5的油中。设工作波长为λ=632.8nm，银的有效介电函数为：n=0.0273+4.2241i。其最低阶的三个模式如图1所示，且有效模指数分别为：Neff1=1.9055+0.0052069i,其模场不依赖于方位角（模式m=0）和Neff2=Neff3=1.5506+0.001366i，为简并模式，分别为x方向和y方向的偶极模（模式m=±1），具有相同的模面积和传播距离。图1银圆柱纳米线波导最低阶的三个模式图2展示了不同半径情况下以上两种情况下的模面积和传播距离，其中A0=λ2/4，由图2（a）我们发现：随着半径的增大，基模（m=0）模面积增大，而高阶模（m=1）模面积急剧减小，当R=70nm附近时，具有相同的模面积。对于传播距离（图2（b）），低阶模式随着半径的增大传播距离增大，而高阶模式恰恰相反，传播距离急剧减小，在所考虑的半径范围内，高阶模式传播距离均大于低阶模式。（a）模面积与半径的关系（b）传播距离与半径的关系图2不同半径情况下的模面积和传播距离利用以上方法，我们可研究各种不同截面形状和材料构成的波导，譬如杂化波导[10-11]，介质波导[12-13]，表面等离激元波导[
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元量子信息应用研究进展[J]. 李明,陈阳,郭光灿,任希锋. 物理学报. 2017(14)
[2]低损耗超小模面积杂化表面等离激元波导[J]. 许丹,黄勇刚,王小云,何浩,何海龙. 光学学报. 2015(06)
[3]基于表面等离激元的金属波导全光开关设计[J]. 石振东,赵海发,刘建龙,刘树田. 光学学报. 2015(02)
[4]局域表面等离激元[J]. 邵磊,阮琦锋,王建方,林海青. 物理. 2014(05)
[5]表面等离激元——机理、应用与展望[J]. 童廉明,徐红星. 物理. 2012(09)
[6]圆柱形金纳米线中表面等离激元的传输性质研究[J]. 孙宝清,古英,龚旗煌. 北京大学学报(自然科学版). 2011(02)
[7]表面等离激元的调控研究与应用[J]. 明海,王小蕾,王沛,鲁拥. 科学通报. 2010(21)
[8]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林. 物理学进展. 2009(03)
本文编号：3214895
【文章来源】：科技视界. 2019,(19)
【文章页数】：2 页
【部分图文】：
不同半径情况下的模面积和传播距离（b）传播距离与半径的
科技创新科技视界Science&TechnologyVision科技视界Science&TechnologyVision效模面积定义为：Am=乙P（x,y）dxdy/max[P（x,y）]，其中P（x,y）=E（x，y）×H（x，y）是能流密度（波印廷矢量）。传播距离L=λ/[4πIm（Neff）]。COMSOLRF模块的模态分析（ModeAnalysis）可方便求解以上方程。考虑半径R=60nm的银圆柱纳米线波导，置于折射率为1.5的油中。设工作波长为λ=632.8nm，银的有效介电函数为：n=0.0273+4.2241i。其最低阶的三个模式如图1所示，且有效模指数分别为：Neff1=1.9055+0.0052069i,其模场不依赖于方位角（模式m=0）和Neff2=Neff3=1.5506+0.001366i，为简并模式，分别为x方向和y方向的偶极模（模式m=±1），具有相同的模面积和传播距离。图1银圆柱纳米线波导最低阶的三个模式图2展示了不同半径情况下以上两种情况下的模面积和传播距离，其中A0=λ2/4，由图2（a）我们发现：随着半径的增大，基模（m=0）模面积增大，而高阶模（m=1）模面积急剧减小，当R=70nm附近时，具有相同的模面积。对于传播距离（图2（b）），低阶模式随着半径的增大传播距离增大，而高阶模式恰恰相反，传播距离急剧减小，在所考虑的半径范围内，高阶模式传播距离均大于低阶模式。（a）模面积与半径的关系（b）传播距离与半径的关系图2不同半径情况下的模面积和传播距离利用以上方法，我们可研究各种不同截面形状和材料构成的波导，譬如杂化波导[10-11]，介质波导[12-13]，表面等离激元波导[
科技创新科技视界Science&TechnologyVision科技视界Science&TechnologyVision效模面积定义为：Am=乙P（x,y）dxdy/max[P（x,y）]，其中P（x,y）=E（x，y）×H（x，y）是能流密度（波印廷矢量）。传播距离L=λ/[4πIm（Neff）]。COMSOLRF模块的模态分析（ModeAnalysis）可方便求解以上方程。考虑半径R=60nm的银圆柱纳米线波导，置于折射率为1.5的油中。设工作波长为λ=632.8nm，银的有效介电函数为：n=0.0273+4.2241i。其最低阶的三个模式如图1所示，且有效模指数分别为：Neff1=1.9055+0.0052069i,其模场不依赖于方位角（模式m=0）和Neff2=Neff3=1.5506+0.001366i，为简并模式，分别为x方向和y方向的偶极模（模式m=±1），具有相同的模面积和传播距离。图1银圆柱纳米线波导最低阶的三个模式图2展示了不同半径情况下以上两种情况下的模面积和传播距离，其中A0=λ2/4，由图2（a）我们发现：随着半径的增大，基模（m=0）模面积增大，而高阶模（m=1）模面积急剧减小，当R=70nm附近时，具有相同的模面积。对于传播距离（图2（b）），低阶模式随着半径的增大传播距离增大，而高阶模式恰恰相反，传播距离急剧减小，在所考虑的半径范围内，高阶模式传播距离均大于低阶模式。（a）模面积与半径的关系（b）传播距离与半径的关系图2不同半径情况下的模面积和传播距离利用以上方法，我们可研究各种不同截面形状和材料构成的波导，譬如杂化波导[10-11]，介质波导[12-13]，表面等离激元波导[
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元量子信息应用研究进展[J]. 李明,陈阳,郭光灿,任希锋. 物理学报. 2017(14)
[2]低损耗超小模面积杂化表面等离激元波导[J]. 许丹,黄勇刚,王小云,何浩,何海龙. 光学学报. 2015(06)
[3]基于表面等离激元的金属波导全光开关设计[J]. 石振东,赵海发,刘建龙,刘树田. 光学学报. 2015(02)
[4]局域表面等离激元[J]. 邵磊,阮琦锋,王建方,林海青. 物理. 2014(05)
[5]表面等离激元——机理、应用与展望[J]. 童廉明,徐红星. 物理. 2012(09)
[6]圆柱形金纳米线中表面等离激元的传输性质研究[J]. 孙宝清,古英,龚旗煌. 北京大学学报(自然科学版). 2011(02)
[7]表面等离激元的调控研究与应用[J]. 明海,王小蕾,王沛,鲁拥. 科学通报. 2010(21)
[8]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林. 物理学进展. 2009(03)
本文编号：3214895
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