基于混合两种金属介质波导的三维光波导及器件的设计与研究
发布时间：2020-12-29 13:52
表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是由金属表面的自由电子和光子相互作用激发形成一种电磁表面波。基于SPPs的纳米器件能够将光波局限在金属表面的亚波长区域内,从而可以突破衍射极限对传统光学器件的限制,实现纳米级别的光传输与处理。SPPs的独特性质,使得它在新能源、传感和高灵敏生物检测等领域获得了广泛的应用。随着对SPPs研究的逐步深入,其在新型光子学器件和光学传感等微纳米器件研究领域必将拥有更加广阔的发展前景。本文基于对称与非对称两种金属包覆介质波导提出了一种纳米三维等离激元波导（three-dimensional plasmonic waveguide,TDPW）,用有效折射率理论分析了其传播特性,然后以TDPW为基础设计研究了多种微纳光学器件,利用时域有限差分方法进行了对设计的波导及器件的性能做出数值仿真验证。具体工作如下:（1）应用有效折射率法和数值仿真对SPPs在TDPW的传播特性进行了研究,分析了在两种固定波长（1550nm和635nm）情况下,改变波导几何参数包括包覆层金属Ag条的宽度’和高度Am,以及中间介质层Si02的厚度td对...
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波洛两种无限大介质交界面处传播
法以及近场耦合［５７］的方式等。??（１）衰减全反射耦合激发??图２．３为衰减全反射耦合两种常用的装置，图２．３⑷是Ｏｔｔｏ结构［１３］，图２．３㈨??是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构［１４］。他们工作的基本原理相同，都是要通过改变透射棱镜下??方介质层的厚度，光以特定入射角（要比临界角大）在进入透明棱镜后在棱镜底??部位置产生全反射，全反射的同时也会在棱镜和其下方介质的交界处形成了一??种表面波，这其实就是一种倏逝波，通过调节介质层厚度，使得入射光波矢与??ＳＰＰｓ的波矢相匹配，从而可以在金属与介质交界处激发出ＳＰＰｓ，这样就会减少??来自棱镜底部的全反射光强，产生一个吸收峰，因此称其为衰减全反射激发。??１３??
图２．３?ＳＰＰｓ衰减全反射搞合激发装置（ａ）图所示为Ｏｔｔｏ型（ｂ）图为Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ??型??两者的区别是，Ｏｔｔｏ结构，从图２．３（ａ）可以看到，棱镜与金属层之间有一个??非常狭窄的空气缝隙，这样有效的保护了金属膜与棱镜的表面结构，这对像单晶??表面光子极化等特殊研究非常有好处。同时，它的缺点是，倏逝波在法线方向呈??指数衰减，为能有效耦合激发ＳＰＰｓ，这个空气狭缝必须做的小才行，一般而言??在几十个纳米级别，在结构的加工制作上存在着较大的技术难度，因此这种激发??方式使用较少。Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构是直接将金属薄膜紧贴在棱镜底部，由于其厚??度非常薄，利用隧道效应，光子可以直接穿透过去从而在金属表面激发出ＳＰＰｓ。??此外ＳＰＰｓ在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构的全反射吸收峰的波矢和形状，与金属薄膜的厚度??以及复介电常数有着密切联系。因此这种方式能够用来测定金属膜厚度和复介电??常数。??ｙ?ｚ?＼ｌ／??Ｚｍ?ｋｓｐｐ??图２．４激发ＳＰＰｓ的光柵衍射结构示意图??光栅耦合激发［５５］??光栅上边为周期性的金属栅格
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体激元研究进展[J]. 李娜,倪晓昌,王彬,栗岩峰,李彤,李毅,宋振明. 天津工程师范学院学报. 2010(04)
[2]表面等离子体激元的若干新应用[J]. 雷建国,刘天航,林景全,高勋,厉宝增. 中国光学与应用光学. 2010(05)
[3]表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应[J]. 顾本源. 物理. 2007(04)
[4]近场光学显微技术[J]. 王海潼,刘斐. 应用光学. 2005(03)
本文编号：2945749
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波洛两种无限大介质交界面处传播
法以及近场耦合［５７］的方式等。??（１）衰减全反射耦合激发??图２．３为衰减全反射耦合两种常用的装置，图２．３⑷是Ｏｔｔｏ结构［１３］，图２．３㈨??是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构［１４］。他们工作的基本原理相同，都是要通过改变透射棱镜下??方介质层的厚度，光以特定入射角（要比临界角大）在进入透明棱镜后在棱镜底??部位置产生全反射，全反射的同时也会在棱镜和其下方介质的交界处形成了一??种表面波，这其实就是一种倏逝波，通过调节介质层厚度，使得入射光波矢与??ＳＰＰｓ的波矢相匹配，从而可以在金属与介质交界处激发出ＳＰＰｓ，这样就会减少??来自棱镜底部的全反射光强，产生一个吸收峰，因此称其为衰减全反射激发。??１３??
图２．３?ＳＰＰｓ衰减全反射搞合激发装置（ａ）图所示为Ｏｔｔｏ型（ｂ）图为Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ??型??两者的区别是，Ｏｔｔｏ结构，从图２．３（ａ）可以看到，棱镜与金属层之间有一个??非常狭窄的空气缝隙，这样有效的保护了金属膜与棱镜的表面结构，这对像单晶??表面光子极化等特殊研究非常有好处。同时，它的缺点是，倏逝波在法线方向呈??指数衰减，为能有效耦合激发ＳＰＰｓ，这个空气狭缝必须做的小才行，一般而言??在几十个纳米级别，在结构的加工制作上存在着较大的技术难度，因此这种激发??方式使用较少。Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构是直接将金属薄膜紧贴在棱镜底部，由于其厚??度非常薄，利用隧道效应，光子可以直接穿透过去从而在金属表面激发出ＳＰＰｓ。??此外ＳＰＰｓ在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构的全反射吸收峰的波矢和形状，与金属薄膜的厚度??以及复介电常数有着密切联系。因此这种方式能够用来测定金属膜厚度和复介电??常数。??ｙ?ｚ?＼ｌ／??Ｚｍ?ｋｓｐｐ??图２．４激发ＳＰＰｓ的光柵衍射结构示意图??光栅耦合激发［５５］??光栅上边为周期性的金属栅格
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体激元研究进展[J]. 李娜,倪晓昌,王彬,栗岩峰,李彤,李毅,宋振明. 天津工程师范学院学报. 2010(04)
[2]表面等离子体激元的若干新应用[J]. 雷建国,刘天航,林景全,高勋,厉宝增. 中国光学与应用光学. 2010(05)
[3]表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应[J]. 顾本源. 物理. 2007(04)
[4]近场光学显微技术[J]. 王海潼,刘斐. 应用光学. 2005(03)
本文编号：2945749
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