基于人工表面等离激元波导的模式调控

发布时间：2020-08-22 15:34

【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP),是金属表面自由电子在外加电磁场的诱导下产生的集体共振。它是一种沿金属-介质分界面传输的表面波,其横向尺寸为亚波长量级,具有低维度、高强度与亚波长尺度的特性。自从被发现以来,表面等离激元便因其独特的光学特性吸引了许多科研工作者的目光。这些独有的特性使它在众多领域中得到了广泛地应用,包括亚波长结构的增透效应、数据存储、近场光学、提升表面增强拉曼散射和超分辨率成像等。表面等离激元作为连接电子学与光子学的天然纽带,研究其高效的激励机制及传输机制对于在亚波长尺度上操控电磁波具有重要的意义。本文基于超薄人工金属光栅条带波导结构,围绕人工表面等离激元模式与自由空间传播模式之间的“模式转换”展开了一系列研究。通过探索亚波长人工波导结构特殊的传输特性,寻求在调控人工表面等离激元及空间波转换间的新耦合机制。本文的主要内容如下:1.将相位反转结构引入双层人工表面等离激元波导中,在相邻的反转单元间形成π的相位差,通过周期的突变结构激励高次模产生定向辐射。利用结构上的变化导致沿其传输的表面波产生高次模,在结构不连续处产生漏波辐射。2.提出将折射梯度单元理论用于解决在传导模式下人工表面等离激元的色散相位补偿问题;基于超表面单元的相位调制,设计一维折射梯度辐射阵列,可有效地将人工表面等离激元模式转化为自由空间波。3.提出双线人工表面等离波导微腔结构,通过分析微腔内FP模式与表面等离激元模式的相互作用、计算色散关系及模场分布,揭示双线人工表面等离激元微腔中两种模式的物理特性,并利用微腔结构的对称模式设计双路功分馈电网络。4.利用双线传输波导的远场耦合效应,以激励表面等离激元的反对称模式形成辐射;通过在平行双线微腔内嵌入V型超表面单元,其对称破缺单元将会与微腔共振耦合,激励起反对称表面等离激元模式,探索其中的辐射机理。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN814
【图文】：

逦（１－２０）逡逑ＫＩ逡逑如图１－２所示，ＳＰＰ是一种在金属与介质面上激发并耦合的电磁振荡。并且，场随逡逑着其与材料表面的距离而呈指数形式衰减，场矢量在界面处达到最大，倏逝波的衰减长逡逑度量化了表面波的传播深度，如图１－３所示。同时，ＳＰＰ是一种ＴＭ极化波，即横波，逡逑其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。这种在与表面垂逡逑直的方向上传播的能量场又称为近场或者是消逝场，表明了邋ＳＰＰ在垂直于分界面方向上逡逑能量被束缚在沿着分界面延伸方向传输，因此ＳＰＰ的传输模式具有较好的束缚性。逡逑５逡逑

逦（１－２２）逡逑Ｃ邋ｙ邋６：，邋＋逡逑如图１－４所示：逡逑＂逦Ｌｉｇｈｔ邋Ｌｉｎｅ邋，？逡逑－邋／’逡逑，逡逑ｍ逦，逡逑－逦／逡逑－逦，’邋（0邋＝邋（0ｐ／４２逡逑Ｉ：逦逡逑？邋Ｉ邋？邋Ｉ邋＇邋Ｉ邋？邋Ｉ邋？邋Ｉ邋■邋Ｉ邋＇邋Ｉ邋？邋Ｉ邋？邋Ｉ邋＇邋Ｉ逡逑０．０邋０．１邋０．２邋０．３邋０．４邋０．５邋０．６邋０．７邋０．８邋０．９邋１．０逡逑ｋｄ／７１逡逑图１－４金属－介质交界面的色散曲线逡逑从图丨＿４中可以看到光波的波矢大于ＳＰＰ的波矢，在光滑的金属－介质界面上，光逡逑和ＳＰＰ无法直接相互耦合，因此ＳＰＰ不能直接被激发。图１－４中斜直线代表入射光的波逡逑矢女。，由图中可以看出，ＳＰＰ的色散曲线总是位于入射光的右侧，二者没有交点。在相逡逑６逡逑

Ｍｅｔａｌ逦＾逡逑图１－３邋（ａ）邋ＳＰＰ在金属－介质交界面的场分布；（ｂ）邋ＳＰＰ的场分布随着其与材料表面的距离而呈指逡逑数形式衰减。逡逑返回到磁场的波动方程，可以得到：逡逑ｄ＾）２－ｋ】（ｉ邋＝邋ｌ，２）逦（１－２１）逡逑Ｃ逡逑联立方程（１－１９）和（１－２０），可以得到ＳＰＰ在金属介质界面上的色散方程：逡逑ｋｘ＝－邋１－＾－逦（１－２２）逡逑Ｃ邋ｙ邋６：，邋＋逡逑如图１－４所示：逡逑＂逦Ｌｉｇｈｔ邋Ｌｉｎｅ邋，？逡逑－邋／’逡逑，逡逑ｍ逦，逡逑－逦／逡逑－逦

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3 徐俊s

本文编号：2800844