基于表面等离子体效应的亚波长复合结构微纳器件设计

发布时间：2021-08-19 00:36

　　表面等离子体（SPs）具有沿着金属表面传播的表面等离子体激元（SPPs）和集中在金属孔内部的局域表面等离子体（LSPs）两种呈现方式。表面等离子体光子学（Plasmonics）就是利用SPs的增强光学特性,在微纳光子器件、光伏电池和光谱成像等领域有广泛的应用。近十年来,基于SPs效应的新型微纳器件设计形成了一支重要的研究方向。本工作使用时域有限差分（FDTD）方法,模拟了光与周期性亚波长孔阵列相互作用的实验过程。其中,研究了周期性圆环-狭缝复合结构孔阵列的增强光透射特性;并且基于回音壁模式可以增强结构环境中光态局域强度的特征,设计了一种能够运用在传感和光学开关领域的微纳器件。主要内容如下:（1）首先,撰述了表面等离子体的基本原理;再者,调研了回音壁模式微腔的国内外研究现状;最后,对FDTD方法中建模仿真过程进行了详细地推导和阐述。（2）用FDTD仿真方法模拟了不同孔阵列（圆环、狭缝和圆环-狭缝复合结构）的光透射特性。我们发现圆环作为回音壁纳米腔可以极大地增强腔内的结构环境的光态局域强度,使得狭缝模式主导的透射峰增强接近一倍。当改变圆环-狭缝复合单元结构中狭缝的结构参数时,能够增强狭缝和... 

【文章来源】：南华大学湖南省

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

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金属/电介质界面SPPs的传输方式

第1章绪论3zH1z1Hmmdd，z=0……………………………(1.4)可得，0kkmmzddz，进而得到，2spp20jjzkkk2…………………………………(1.5)满足边界磁场连续性条件，可得：210)(dmdmsppkk………………………………(1.6)一般而言，金属介电常数m小于0，所以||||dmm时，0sppkk。由于频率ω可以对金属介电常数m有显著影响。通过公式(1.6)推导出表面等离子体波矢sppk色散关系即Drude模型表示如下：i1)(2pm………………………………(1.7)其中等离子体振荡频率表示为2p，为散射速率。该表达式表征了金属中自由电子与光场相互作用时散射产生的损耗。图1.2表面等离子体的色散关系图1.2描绘了SPs的色散关系。在正常的情况下，SPs是不能激发的，SPs和光子之间存在着动量不匹配的问题。想要激发SPs，就需要外加条件[10]。我们接下来将讲述如何能够激发SPs。

南华大学硕士学位论文41.1.2激发表面等离子体的方法图1.3常见激发SPs的方式：(a)棱镜耦合的方式，(b)周期性光栅耦合的方式，(c)波导耦合的方式，(d)强聚焦光束的激发方式与(e)近场的激发方式示意图[10]当然这里我们讨论的主要是SPPs模式，LSP模式可以不需要外加条件就能直接激发。想要激发SPPs，就需要满足如下条件：①入射波的频率要等于SPs的共振频率；②入射波的波矢需要有平行于金属/电介质界面的分量且使其与SPs的波矢相等。动量守恒定理可以满足第一个条件。但是第二个条件就需要特殊的方式来满足其中的波矢匹配问题。为了解决波矢匹配问题，Kretschmann和Otto采用全反射原理达到波矢匹配即棱镜耦合方式[11,12]，图1.3(a)和(b)可知。其中，Kretschmann使用棱镜放置在金属薄膜上，利用一定角度入射光波，使得光在棱镜中发生全反射并提供一个比较大的波矢给入射光，以致金属/电介质界面可以诱导出SPPs。Otto令棱镜和金属薄膜产生一定的间隙，依旧可以激发出SPPs。除此之外，利用衍射效应也可以达到波矢匹配。例如图1.3(b)，在金属薄膜界面设计出光栅，如果该衍射光栅可以使得入射光获得和SPs相等的波矢，同样可以激发出SPPs，该方法被称为光栅耦合方式[13]。图1.3(c)利用波导两侧激发的倏逝波的场诱导金属界面的SPPs，该方式被称为波导耦合方式[14]。图1.3(d)描绘了Kretschmann使用相似的方法，使用棱镜强行把入射光的聚焦在金属薄膜界面，激发出SPPs，该方式称为强聚焦光束激发方式[15]。另外，使用扫描近场光学显微镜中的探针也可以诱导出SPPs，该方式可以认为是全反射方式也可认为是衍射方式，这也就是近场激发方式[16]，如图1.3(e)所示。无论什么方式激发出SPPs，


本文编号：3350926