基于纳米天线的表面等离激元波方向性激发研究

发布时间：2020-07-22 05:53

【摘要】：表面等离子激元波(Surface Plasmon Wave,SPW)的发射与控制是等离子体学领域的重要研究课题之一,在等离子激元学的相关应用中起着至关重要的作用。由于动量失配,传统的SPW激发方案依赖于棱镜的全内反射或光栅的衍射,或是利用波导与汇聚光束所产生的消逝波,然而,这样的方案不适合紧凑和高度集成的光子器件。在这方面,通过纳米天线激发SPW,包括亚波长狭缝、孔径和纳米颗粒,代表了一种更为可行的方法。纳米天线对SPW的单向激发是基于方向相关的干涉效应。例如,由非对称狭缝激发的SPW具有不同的空间相位分布,因此,在特定方向上发生建设性或破坏性干涉。但是,这样的干涉都需要组合多个纳米天线,在尺寸上同样受到局限。因此,保持相干电磁偶极子的纳米颗粒是单向SPW发射器的良好候选者。考虑到电偶极子和磁偶极子,可以以不同的方式实现相干相互作用。或者圆极化偶极子本质上也是一种相干偶极子,可以由入射平面波的螺旋度来控制SPW的方向。然而,尽管存在大量这种具有方向性相干纳米天线,但是仍很少有用单个纳米天线定向选择性激发SPW。本论文以现有的研究成果与理论技术为前提,将研究纳米天线与SPW间的耦合作用,探讨利用纳米天线的不对称的波矢空间近场域来定向激发SPW的可行性。论文将以电磁多极展开理论、基于洛伦兹互易定理的近场-远场变换技术与场分布角谱表示为主要研究方法,从研究理想点源与SPW的近场耦合作用出发,在位置空间与波矢空间探讨惠更斯偶极子与圆极化偶极子的近远场分布情况。拟将对于点源的研究成果推广到实际的纳米天线。对应于惠更斯偶极子,提出了采用双频带多层金属-介质-金属(Metal-Dielectric-Metal,MDM)天线单向激励SPW的方案;而对应于圆极化偶极子,研究设计一种1/4圆锥型纳米天线用以控制SPW的激发方向。我们将对点源或纳米天线进行有限元全波数值模拟、近场-远场变换技术和近场角谱验证,并研究两种实际天线对SPW的定向激发特性,另外包括能量特性,参数控制特性等。纳米天线与SPW相结合将为表面等离子器件提供更多样的设计开发方法。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53;TN826
【图文】：

互易定理,洛伦兹

图 2-1 洛伦兹互易定理示意理图遍的情况如图 2-2 所示，单轴平面分层介质结状的散射体（矩形、球体和任意形状），假定层同性的，并已知其介电常数和磁导率，最重要料都是互易的，即有T Tε ε ，μ μ ，“T”表示“盒子”（蓝色虚线）来提取近场电磁波矢量，均匀区域都被包含在其中，即“盒子”以外的境。而入射光来源可以来自位于封闭区域以外时，入射光波可视为平面波），也可以是来自封意的是，当入射光来自不均匀区域外部1J ，则体存在的情况下，由源1J 入射产生的电磁场），由源1J 照亮分层介质环境产生的电磁场）之区域内部2J ，则散射近场就是源2J 与散射体和。可以看出对于所有情况入射光波在散射体的量一部分进入自由空间向无穷远处辐射，而另

模型图,分层介质,散射问题,一般性

考虑到最普遍的情况如图 2-2 所示，单轴平面分层介质结构的任意位几个随机形状的散射体（矩形、球体和任意形状），假定层状结构的各均匀且各向同性的，并已知其介电常数和磁导率，最重要的是不论是还是介质材料都是互易的，即有T Tε ε ，μ μ ，“T”表示转置。通过小的长方体“盒子”（蓝色虚线）来提取近场电磁波矢量，“盒子”的保所有的不均匀区域都被包含在其中，即“盒子”以外的区域对应的分层结构环境。而入射光来源可以来自位于封闭区域以外的局域源于无穷远处时，入射光波可视为平面波），也可以是来自封闭区域内2J 。值得注意的是，当入射光来自不均匀区域外部1J ，则散射近场应场（在散射体存在的情况下，由源1J 入射产生的电磁场）与背景场（体的情况下，由源1J 照亮分层介质环境产生的电磁场）之间的插值。来自不均匀区域内部2J ，则散射近场就是源2J 与散射体和介质环境相生的电磁场。可以看出对于所有情况入射光波在散射体的作用向封闭射，辐射能量一部分进入自由空间向无穷远处辐射，而另一部分的能足波导模式沿分层介质形成的波导向无穷远处辐射。

示意图,积分限,示意图,散射体

0 0 ”代表平面波背离散射体方向传播，反之若是“ 体方向传播，“ ^ ” 代表单位矢量，0 1 u k n sin ，0 1 1 k cos ，其中0k 是真空中波矢，介电常数与磁导率。于是由散射体激发的散射电磁1z =z 时的电磁场分布 ( E , H )展开为1 f 0 1 ( x , y , z ) c ( , ) exp[i(u x vy z )]dudvE E 1 f 0 1 ( x , y , z ) c ( , ) exp[i(u x vy z )]dudvH H )——沿方向传播的平面波分量的振幅系数。易理论，可以由封闭曲面上的电磁场来获得振幅0 0 1f20 0 ( , ) ( ) 8k Zc d E H E H SE E是介电极化率。波阻抗，面元 S 的方向朝外。于是将式（2-33）计

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