超表面等离子体成像系统设计及其光学效应研究

发布时间：2020-07-16 04:10

【摘要】：表面等离子体极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种由光子与电子共振耦合而激发出来的沿金属与介质分界面传输的电磁倏逝波,在近几十年里,以其独特的光学性质受到了广泛关注,并且取得了大量令人瞩目的突破性发展。在成像系统方面,各种等离子透镜被设计出来,并且在光束聚焦、光束偏转等方面突破传统衍射极限的限制,展现出了独特的效果。而随着科学技术的发展以及生产生活需求的提高,超表面(Metasurface)结构成为了当前等离子体成像系统设计方面的主力军,其对电磁波空间相位以及振幅的调制作用,使其在很多领域具有十分巨大的应用潜力。同时,石墨烯等二维材料的广泛研究也使得超表面成像系统设计向着高效率、低损耗、易于调控的方向发展,更加符合当今人类社会进步的需要。本文结合理论设计以及仿真模拟的研究手段,完成了以下相关工作:首先,提出了一种由金属倾斜狭缝阵列构成的平面透镜。在入射光照射下,激发出来的SPPs通过狭缝传输到自由空间,并且每个狭缝提供不同的传输距离,理论和仿真表明,由此可以实现波前空间相位的控制,从而使各狭缝出射光在自由空间的预设焦点处发生相位相长叠加,得到聚焦效果。另外,通过对阵列结构的非对称性设计,控制各狭缝的倾斜角,可以实现空间聚焦位置的调节,使其在实际应用中的功能性得到强化。然后,通过对超表面的研究,设计了一种基于非平行双缝的反巴比涅纳米天线结构,分析了该单元结构对空间相位以及振幅的调制效果和规律,选取八个能够均匀覆盖2π相位且具有相似透射振幅的基本单元,从而可以通过合理排列实现一定的波前相位控制。本工作中,通过相位分析设计了光束偏转器以及不同焦距的聚焦透镜,其中还包括多个焦点的情况,有限元法的数值仿真很好的验证了我们的设计,并且可以观察出其数值孔径较大,且焦点尺寸非常小,十分有利于高精确度光学器件的集成应用。此外,还设计了一种基于布拉格光栅与石墨烯波导的多通道滤波器件。石墨烯作为中红外波导,展现出了可由电场调节而实现局部光学参数可变的特性,通过对该结构施加电压,可以使得石墨烯波导的有效折射率呈周期性变化,此时石墨烯SPPs传输时就会发生布拉格效应。当引入缺陷时,波导中就会产生缺陷共振模,该结构可看作一个法布里-珀罗腔,产生一个滤波通道。据此,进一步引入多个缺陷,便可实现多通道滤波的效果,本工作中,提出了两种多通道滤波结构的设计方法,串级多缺陷结构和双对称法布里-珀罗结构,并且通过COMSOL数值仿真很好地验证了它们的可精确调节效果。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53
【图文】：

曲线,相对介电常数,曲线,修正量

金属电子视为了理想自由电子，而忽略了响，所以，这里需要引入一个修正量ε∞(1介电常数变化值，则修正后的(1-2-6)式变 ip 22( )，改写为ε(ω) = εr(ω) + iεi(ω)形式：1()2222 pr， (1)()222 pi，子弛豫时间。在可见光波段具有较好的等离子光学特性用十分广泛。以银为例，图 1.2-1 中展示的曲线，其中包括实部和虚部，而对应于1016Hz，γ = 2.73×1013Hz。

传输原理,介质表面,金属,相对介电常数

-2金属-介质表面SPPs传输原理图

曲线图,色散关系,真空,介质模型

1-2-15)与(1-2-17a)、(1-2-17b)，可解得：dmdmxck ， dmdmk 0，面上 SPPs 传播模式的色散方程，β表示传输(1-2-15)，我们可以看出，要使其成立则必须在金属与介质的交界面才会出现 SPPs 激发。于 0，即 Re(εm)<0，而从方程(1-2-18)可以看出够激发出 SPPs 的基本条件。另一方面，根据画出如图 1.2-3 所示的曲线图，图中虚线表示同一频率下，SPPs 波矢大于真空光波矢，而 SPPs 速度越小，此即为表面等离激元的慢光

【参考文献】