金属波导阵列中表面等离子体的传输特性研究

发布时间：2017-07-14 13:23

  本文关键词：金属波导阵列中表面等离子体的传输特性研究

  更多相关文章： 金属波导阵列 表面等离子体激元 超模 离散衍射 亚波长聚焦 离散Talbot效应 时域有限差分法

【摘要】：随着纳米光子学的发展,纳米金属波导阵列引起了人们的极大地关注,纳米金属波导阵列中的表面等离子体可以实现亚波长衍射控制、亚波长聚焦、负折射、离散等离子体Talbot效应和光分束等功能,为在纳米尺度操控光提供了新的可能。在本论文中,我们将超模理论引入到纳米结构的金属波导阵列里并研究了有限金属波导阵列中的离散衍射、深亚波长聚焦和离散等离子体Talbot效应。本文的主要研究工作如下:(1)研究了有限金属波导阵列中的离散衍射。已有的关于金属波导阵列离散衍射的研究都是针对无限个(或上百个)金属波导所组成的阵列,而对于有限个金属波导所组成的阵列,产生的离散衍射并没有被深入研究。本文模拟了有限金属波导阵列的场分布,发现当场传输到波导阵列的上下波导边界时,能量被反射回来,形成复杂的场分布图案。为了解释有限金属波导阵列中的场分布,本文将超模理论引入到金属波导阵列中的表面等离子体传输,用一种新的方法推出了相关的微扰常数和耦合常数,分别计算出了波导数目为N=3,N=4,N=5的金属波导阵列的传输常数和波函数。当输入场从阵列的不同位置入射时,会形成不同的衍射场分布,因此还讨论了对称性入射和非对称性入射的衍射情况,并用表面等离子体超模理论进行了理论分析,推出了阵列中的衍射场分布情况,给出了衍射场强度的最大值和最小值的精确位置。本文用时域有限差分法验证了表面等离子体超模理论,数值模拟的结果与超模理论分析的结果相符,验证了表面等离子体超模理论的正确性。(2)在有限金属波导阵列中提出一个新的遮盖式的深亚波长聚焦方案。其特点是:阵列的中间波导的入口被遮盖而只有阵列两边的波导被打开。模拟结果表明,这种结构可以使入射的平面波(波长为632.8nm)汇聚到阵列中的单个波导内,形成焦点,焦点的半高全宽为54nm左右。为了说明这种遮盖式金属波导阵列聚焦的特点,本文也分析了同等条件下没有遮盖的金属波导阵列的聚焦情况,发现没有遮盖时的半高全宽是150nm左右。可见,有遮盖物的波导阵列产生的焦点比无遮盖物的波导阵列产生的焦点要小得多。本文用表面等离子体的超模理论成功解释了这种聚焦行为,计算出了有限金属波导阵列中超模的传输常数和场分布,当中间波导的入射端被遮盖时,入射波仅仅激发了具有偶对称性的超模,整个场是由这些对称性的超模叠加形成的。超模理论预测的结果与数值模拟的结果相符。同时,本文讨论了由遮盖所引起的能量损失,发现中间波导的遮盖对阵列焦点处的能量影响较小。这种中间被遮盖的阵列结构的优点在于:把入射场聚焦到阵列中的单个波导内,获得的焦点比无遮盖的阵列要小得多,在损失较小的能量的前提下,焦点处的峰值更尖锐,焦点的大小只有入射波长的1/12,实现了深亚波长聚焦。(3)在有限金属波导阵列里成功实现了离散talbot效应。一直以来,产生离散talbot效应所需的波导结构相当大:模拟计算时所用的波导个数为无穷多个,而在实验中采用的波导个数也高达数百个。然而,如何在有限个波导数目组成的阵列里实现talbot效应,一直以来都没有实现。本文通过分析有限金属波导阵列里的表面等离子体超模的传播常数和波函数得出了超模激发系数与输入场之间的定量关系。研究发现,阵列中的各级超模不是被等量激发的,被激发的超模系数是由输入场的强度分布决定。通过调节输入场在各个波导内的不同强度,来定量控制阵列中被激发超模的系数。有限金属波导阵列中的场强分布可以认为是被激发的超模的叠加。根据表面等离子体的超模理论,在由13个波导组成的有限金属波导阵列中,通过调节每个输入场的不同强度,可以只激发第一级超模和最高级超模,这两个超模叠加后在传输方向上形成离散talbot效应。用表面等离子体超模理论还解释了无限金属波导阵列里的talbot效应。我们进一步验证了在无限金属波导阵列里输入场的周期性条件,发现无限金属波导阵列里的离散talbot效应与传统的介质波导阵列不同:在传统的介质波导阵列里输入场的周期条件为p=1,2,3,4和6,而在无限金属波导阵列中输入场的周期条件为p=1,2,3,4和5。(4)研究了有限金属波导阵列里的表面等离子体超模的选择性激发,建立了选择性激发表面等离子体超模的理论方程,可以选择激发金属波导阵列中任意一级的超模。只需要将要激发的第几级(或多个)超模,代入方程计算,再根据计算出的场幅值来定量设置输入场的强度,进而激发出所需要的超模。由于激发出的不同超模叠加后会形成不同的场分布,因此可以选择激发金属波导阵列里两个偶模,形成两个偶模的叠加场。根据两个偶模叠加场的分布特点,我们设计出了一种基于金属波导阵列的功率分束器。
【关键词】：金属波导阵列 表面等离子体激元 超模 离散衍射 亚波长聚焦 离散Talbot效应 时域有限差分法
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O53;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-47
• 1.1 引言12
• 1.2 表面等离子体激元的研究背景12-13
• 1.3 表面等离子体激元的基本理论和激发方式13-23
• 1.3.1 消逝波13-15
• 1.3.2 表面等离子体激元的色散关系15-19
• 1.3.3 表面等离子体激元的激发方式19-23
• 1.4 金属波导阵列的研究进展23-27
• 1.5 时域有限差分方法27-36
• 1.5.1 时域有限差分的基本原理27-34
• 1.5.2 时域有限差分方法的边界条件34-35
• 1.5.3 数值稳定性分析35-36
• 1.6 本文主要研究内容36-38
• 参考文献38-47
• 第二章 有限金属波导阵列的离散衍射47-70
• 2.1 引言47-52
• 2.1.1 介质波导阵列中的离散衍射47-51
• 2.1.2 介质波导阵列的超模理论51-52
• 2.2 有限金属波导阵列的离散衍射52-59
• 2.2.1 有限金属波导阵列与无限金属波导阵列中离散衍射的区别52-53
• 2.2.2 金属波导阵列中的超模理论53-55
• 2.2.3 有限金属波导阵列中离散衍射的理论分析和模拟验证55-59
• 2.3 有限金属波导阵列的非对称性激发59-66
• 2.3.1 含三个波导的金属波导阵列的非对称性激发59-61
• 2.3.2 含四个波导的金属波导阵列的非对称性激发61-63
• 2.3.3 含五个波导的金属波导阵列的非对称性激发63-66
• 2.4 本章小结66-68
• 参考文献68-70
• 第三章 金属波导阵列的遮盖式深亚波长聚焦70-84
• 3.1 引言70
• 3.2 金属波导阵列的遮盖式深亚波长聚焦70-81
• 3.2.1 遮盖式金属波导阵列结构和聚焦现象70-73
• 3.2.2 遮盖式金属波导阵列的超模理论分析73-77
• 3.2.3 能量损失分析77-79
• 3.2.4 遮盖式金属波导阵列的推广79-81
• 3.3 本章小结81-82
• 参考文献82-84
• 第四章 离散等离子体Talbot效应和超模的选择性激发84-104
• 4.1 引言84-87
• 4.1.1 连续等离子体Talbot效应84-86
• 4.1.2 离散等离子体Talbot效应86-87
• 4.2 有限金属波导阵列中的离散等离子体Talbot效应87-92
• 4.2.1 无限金属阵列与有限金属阵列的Talbot效应区别87-88
• 4.2.2 有限金属波导阵列内异常干涉图案的超模理论解释88-91
• 4.2.3 有限金属波导阵列中的离散Talbot效应91-92
• 4.3 无限金属波导阵列中的Talbot效应92-95
• 4.3.1 无限金属波导阵列中Talbot效应的超模理论解释92-94
• 4.3.2 无限金属波导阵列产生Talbot效应的输入场的周期条件94-95
• 4.4 有限金属波导阵列中表面等离子体超模的选择性激发95-100
• 4.4.1 单个超模的选择性激发95-98
• 4.4.2 两个超模的同时激发98-100
• 4.4.3 基于金属波导阵列的功率分束器设计100
• 4.5 本章小结100-102
• 参考文献102-104
• 第五章 全文总结104-106
• 博士研究生阶段发表的论文106-107
• 致谢107

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本文编号：541282