纳米光学腔和波导设计及其光学特性研究

发布时间：2020-08-23 22:11

【摘要】：随着纳米加工技术及光电集成产业的发展,在纳米量级控制和操纵光场已经成为一个非常重要的发展方向。因此,发展体积更小、性能更优的新型纳米光学器件是目前国际前沿研究的一个热点课题。表面等离子体由于其独特的性质引起了科研人员的广泛关注。近年来,基于表面等离子体的各种纳米光学器件也层出不穷。本论文设计了具有超小模式体积的表面等离子体纳米光学共振腔、混合双楔形表面等离子体波导、类楔形表面等离子体波导、以及具有亚波长模式局域性的全介质波导,并运用有限时域差分(FDTD)方法和有限元方法(FEM)方法研究了表面等离子体纳米光学共振腔、表面等离子体波导、以及全介质波导的光学特性。本论文的主要研究工作如下:1.编写了计算电磁场在多层介质中传播和散射的Matlab程序,利用该Matlab程序实现了对电磁场在三层介质中传播和散射问题的计算,解决了金属接触到完美匹配层(PML)边界时计算结果发散的问题。2.根据对表面等离子体特性的了解,设计了一种基于表面等离子体的纳米光学共振腔,用FDTD、DDA、以及FEM等多种方法研究了该表面等离子体纳米光学共振腔的光学性质,计算了该表面等离子体纳米光学共振腔的Purcell因子、品质因子、以及模式体积,分析了表面等离子体纳米光学共振腔中的共振模式,研究了纳米腔腔材料的光学常数对纳米腔性质的影响,讨论了包含二氧化硅基底时的效应。3.在充分了解各种纳米光学波导结构发展现状的基础上,设计了性能更优的混合双楔形表面等离子体波导、类楔形表面等离子体波导、全介质蝴蝶结波导、以及全介质纳米线波导,利用FEM研究了这些波导的光学特性。本论文的创新点和特色:1.设计了一种具有超小模式体积的表面等离子体纳米光学共振腔,该表面等离子体纳米光学共振腔在获得超小模式体积的同时还可以得到较大的Purcell因子和较高的品质因子,这对今后自发辐射增强的研究具有一定的指导意义。2.设计了一种混合双楔形表面等离子体波导,该表面等离子体波导在保证一定传播长度的情况下可以得到超小的归一化模式面积或者在保证一定模式局域性的情况下可以得到较长的传播距离,而且该混合双楔形表面等离子体波导具有一定的制作容差性,使其可广泛应用于高集成光子电路、光学捕获、及纳米激光器等方面。3.基于不同介质交界面处电位移法向分量和电场切向分量的连续性设计了全介质波导,在一个波导结构中同时实现了亚波长模式局域性和理论上没有损耗的传播,克服了表面等离子体波导传输损耗大和传统电介质波导模式局域性差的缺陷,对今后纳米光学器件的设计具有一定的启发和指导意义。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TN252
【图文】：

ｏｎｉｃｓ）作为纳米光学的一个重要组成部分，也受到等人于１９９８年发现周期性纳米孔金属薄膜具有光Ｈａｓｍｏｎｉｃｓ的研宄。２００２年，他们又发现刻有牛现光的无衍射穿透ｗ。随着对Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ研宄的日进步，Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ逐渐发展成为一门新兴的独立学离子体逡逑子体（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，邋ＳＰＰｐ７］是在金属种表面电磁波（是光与电子的集体振荡），在一定条有两个明显的特征：（１）邋ＳＰＰ在传播方向上具有比的波长），（２）邋ＳＰＰ场在与传播方向垂直的方向上ＳＰＰ可以实现在亚波长量级上对光的控制和操纵，［８］的亚波长光学器件成为可能，有望为光学集成和的突破。逡逑

数ｆ邋＝邋ｉ／｜Ｍ可定义为ＳＰＰ场在垂直于金属－电介质交界面方向上的穿透深度。由逡逑方程（１．２０）－方程（１．２５）可以看出，ＳＰＰ场沿Ｚ方向是指数衰减的，ＳＰＰ主要逡逑局域在金属与电介质的交界面处传播。图１．２给出了在无穷大的金属和电介质交逡逑界面处ＳＰＰ的场分布。逡逑ＺＡ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾逡逑＋邋＋邋＋逦逦＼＾／＋邋＋邋＋逦逦邋Ｘ逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑图１．２无穷大的金属和电介质交界面处ＳＰＰ的场分布［６］逡逑利用／／ｖ和尽在交界面处的连续性可得逡逑丛＝－么逦（１．２６）逡逑由于￡２＞０邋Ｒｅｌ＾ＪｉＯ，由表达式（１．２６）可知，表面波只能存在于介电常数的逡逑实部互为相反数的两种材料的交界面处，通常为金属和电介质的交界面处。逡逑将的表达式（１．２０）和（１．２３）代入ＴＭ模的波方程（１．１６）可得逡逑４逡逑

由于棱镜耦合会涉及到激发光束在金属和空气的交界面处的隧穿，因此棱镜逡逑z1合又被称为衰减的全内反射，其中最常用的两种结构分别是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构逡逑［如图１．４⑷所示］和Ｏｔｔｏ结构［如图１．４（ｂ）所示］［２２】。在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构中，一层逡逑金属薄膜位于一个玻璃棱镜的上方，激发光以大于全内反射临界角的入射角从玻逡逑璃棱镜的一端入射并穿透金属薄膜，从而激发金属和空气的交界面处的ＳＰＰ。由逡逑于Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构中的倏逝波需要穿透金属薄膜来激发金属和空气交界面处逡逑的ＳＰＰ，所以该结构中的金属膜通常比较薄。在Ｏｔｔｏ结构中，玻璃棱镜和金属逡逑薄膜之间存在一个空气间隙，激发光从棱镜的一端以等于全内反射临界角的入射逡逑角入射，倏逝波需要穿过棱镜和金属之间的空气层来激发金属和空气交界面处的逡逑ＳＰＰｃ逡逑６逡逑

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本文编号：2802085