基于金属等离激元波导耦合照明方式的光场聚焦

发布时间：2020-06-06 16:01

【摘要】：随着光电子学、纳米技术的飞速发展,集成光学对集成系统密度的要求逐渐提高,传统的光学系统中光斑的聚焦不能突破光学衍射极限,传统的透镜难以实现更加紧致的聚焦且焦场的调控灵活性较低,因此研究热点转向了微结构领域。基于表面等离激元的光波导极大地缩小光子元器件的尺寸,突破光学衍射极限并获得亚波长尺度的聚焦光斑有着广阔的应用,引起了各国研究人员的浓厚的兴趣。本文主要研究了基于几种金属等离激元波导的聚焦器件,研究不同偏振态的电磁波与金属-绝缘体-金属(MIM)光波导的相互作用,对于偏振态沿光束横截面的分布是否均匀可以将光分为矢量光束和标量光束,首先介绍了本课题研究的基于等离激元波导的聚焦器件,如楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜、金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜,进而研究一种侧向耦合照明的金属等离激元透镜,分析从自由空间照明到高集成的耦合照明方式,对结构和凹槽进行调整达到最终的调控效果。其次研究的是圆柱形等离激元波导的模式分析,基于模式有效折射率、传播长度以及模式面积等参数特性,得到了一种紧凑型低损耗的圆柱形混合等离激元波导,不仅可实现很强的模场限制能力,而且保持低损耗长距离传输的特性。本文针对介质-金属双层圆锥形结构的波导在径向偏振光源照明条件下SPP的激发情况不理想的效果,提出一种基于混合等离激元波导的聚焦器件,利用三层的柱对称锥形结构代替原有的双层结构,提出一种用于在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大,在有限的空间尺度场局域增强的一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件,此结构可应用于超高密度集成光路,对实现纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等领域具有十分重要的意义。
【图文】：

ropagating Surface Plasmon Polariton, PSPP)[19]。在 SPP 波导中，已有很多学者们设计出了多种不同类型的 SPP 波导，如条型 SPP 波加载型波导、横向槽型 SPP 波导、楔形 SPP 波导等。按照几何形状，常见 SPP 波导型化为三种主要类别：介质-金属型（Insulator-Metal，IM）、IMI 型以及 MIM 型。（1）IM 型 SPP 波导利用 SPP 在金属-介界面的有效折射率高于金属-空气界面的有效折射率这一特性，新型的介质加载型 DLSPP 波导[20-22]。局域型表面等离激元（DLSPP）波导利用折同能够对模式的良好束缚，同时又具有较长的传播距离。然而，不同于 MIM、IMI激元波导中的 TM 模式，DLSPP 中的模式是 TEM 模式。因为 DLSPP 具有良好的光力以及传输能力，所以应用广泛，如 S 型弯折、Y 型分束器、Bragg 反射器、定向环形谐振腔和 M-Z 干涉仪等[23-25]。如图 1. 1 (a)所示即为一种金属衬底的介质光波，(b)图中给出了该等离激元波导的传播距离与加载的介质条宽度之间的关系曲线图

邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 （2）IMI 型 SPP 波导绝缘体-金属-绝缘体（IMI）型波导又被称为金属纳米线波导[26-29]。在这样的 MIM金属被夹在两层介质层中间，所以当金属较薄时，金属上下面的 SPP 会发生耦合，的振幅关系会产生两种新的模式：对称（SM）与反对称（AM）模式，如图 1.2 中式：长程表面等离激元（Long-range SPPs, LRSPPs），是指金属上下表面的磁场振幅，产生了“相加”的效果；当情况恰好相反，，即两面的磁场振幅符号相反时，便是式，又被称为短程表面等离激元（Short-range SPPs, SRSPPs）。这两种模式也可看成裂的结果， LRSPPs 的优势在于传播距离长，但是缺点是光场的限制能力不强。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN25

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本文编号：2699924