基于遗传算法的表面等离激元定向发射器的优化

发布时间：2021-02-04 18:53

　　表面等离激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）是金属表面电子在外部电磁场作用下产生沿金属-电介质或金属-空气交界面传播的红外或可见光波段的电磁波。因为其能在亚波长尺度上对光进行控制和约束,所以在生物化学传感、光子集成电路等亚波长光学领域有着广泛的应用。表面等离激元定向发射器是光学系统中的基础元件,在未来的光子集成电路中有着巨大的发展前景。因此,表面等离激元定向发射器一直是表面等离激元领域的重要研究课题。众多研究学者对表面等离激元定向发射器的结构类型提出了多种设计方案,如凹槽型、狭缝型等。然而,设计的表面等离激元定向发射器的性能仍有较大的提升空间,通过优化算法优化定向发射器的结构参数,可进一步提高其定向耦合的性能。本文采用MATLAB遗传算法与COMSOL联合仿真的方法,优化了准周期狭缝型表面等离激元定向发射器以及非周期狭缝型表面等离激元定向发射器的几何参数,使其定向耦合能力有较大幅度的提升。该方法的最大优点在于不依赖初始结构,在任意初始结构参数下,经过遗传算法40代左右的优化,所有狭缝型表面等离激元定向发射器的消光比均大于60dB。本文所使用的MATLA... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：60 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

SPPs传播界面示意图

SPPs 的色散关系图。其中，曲线Ⅰ为光在真空中的色散关系；曲线Ⅱ为 SPP气分界面上传播的色散关系；曲线Ⅲ为 SPPs 共振频率在其波矢趋于无限时的图 1.2 中我们可以看出，在低频区域 SPPs 的色散关系曲线与光在真空中传播的为接近，但 SPPs 波矢的值要略大于光在真空中传播的波矢；在高频区域 SPPs会随着频率的增加，逐渐偏离了光在真空中的波矢，且 SPPs 的频率的极限值为在正常的金属和介质层分界面上是不能够激发 SPPs 的。表面等离激元的激发方式图 1.2 中我们可以清楚看到，相同频率下，SPPs 的波矢要大于光在真空中的波金属-介质层结构是无法激发 SPPs 的。我们可以采取改变平滑金属表面结构的Ps 的波矢匹配条件，这里将介绍几种 SPPs 的激发方式。1 棱镜耦合镜耦合是通过衰减全反射原理，在空气和金属分界面上激发 SPPs，有 Kretschm

使得波矢匹配条件得以满足，即k = ± ，从而激发 SPPs。除了通过周期性结构，也可利用金属层表面的缺陷来激发 SPPs，如金属上的单一凹槽等。1.3.2.3 波导模耦合波导模式耦合[18]如图 1.3（c）所示。当光波在波导中传播时，会在波导两侧产生倏逝波，此时若在波导的一侧镀上金属层，则可以利用倏逝波在金属与介质分界面上激发出 SPPs。1.3.2.4 强聚焦光束耦合强聚焦光束耦合[19]如图 1.3（d）所示。我们把高数值孔径的显微物镜靠近镀在介质层上的金属薄膜，其中显微物镜和金属薄膜之间有一层很薄浸油层。因为采用了高数值孔径的显微物镜，被聚焦的入射光就可以拥有较大的入射角，使得波矢匹配条件得以满足，进而可以激发 SPPs1.3.2.5 近场激发耦合近场激发耦合[20]如图 1.3（e）所示。使用亚波长量级的探针在金属层上方进行照射，因为探针的本身较为微小，从探针尖端发出的光波的光矢量便可以满足 SPPs 的波矢匹配条件，从而激发 SPPs。

【参考文献】：
期刊论文
[1]金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算[J]. 郭艳芳,孔凡敏,李康.  光学技术. 2012(03)
[2]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林.  物理学进展. 2009(03)
[3]遗传算法中有关参数值最优选择及其应用优点[J]. 刘向群,程悦,李荣源.  微特电机. 1999(04)
[4]求解电磁场并矢格林函数的新方法[J]. 宋文淼.  电子科学学刊. 1989(02)



本文编号：3018776