【摘要】：表面等離激元(SPPs)和局域表面等離子體(LSPs)是表面等離子體(SPs)的兩種表現(xiàn)形式,并且具有局部場增強特性、亞波長以及場強局域化的特點。根據(jù)以上這些特性,表面等離子體能夠在光子器件、紅外遙感和生物傳感等應用領域產(chǎn)生重大的影響。隨著學者們對其的深入研究,逐漸形成了表面等離子體光子學(Plasmonics)這一學科。對于金屬薄膜上孔陣列所產(chǎn)生的表面等離子體效應的研究,以及該效應所能設計出的器件,是近年來在表面等離子體光子學上的兩個重要分支。本文采用了時域有限差分(FDTD)的方法,離散地處理了麥克斯韋方程,對光與物質(zhì)作用的整個過程進行了仿真。研究了具有多重幾何特征的周期性空心圓環(huán)孔陣列金屬薄膜微結構,以及結構中增強光的透射特性。此外,基于多重幾何特征所產(chǎn)生的不同共振模式,和它們之間的相互影響,設計了一種新型的表面等離子體濾光器,并驗證了其可行性。主要內(nèi)容如下所述:(1)解釋并說明了表面等離子體的基本原理以及它所產(chǎn)生的增強光透射現(xiàn)象(EOT),調(diào)研了該課題在國內(nèi)外的研究背景和現(xiàn)狀;對FDTD方法離散麥克斯韋方程進行了詳盡的闡述,在波源的設置、邊界條件的采用和實驗參數(shù)的設置上作了細致的分析。(2)數(shù)值模擬了不同孔陣列的增強光透射過程(圓、圓環(huán)、空心圓環(huán)孔陣列)。研究結果發(fā)現(xiàn),空心圓環(huán)孔結構中不同幾何特征所產(chǎn)生的共振模式相互耦合,會使得圓內(nèi)SPPs共振模式下產(chǎn)生的電荷與外圓環(huán)內(nèi)LSPs共振模式下產(chǎn)生的電荷發(fā)生轉移。從而導致SPPs共振模式與LSPs共振模式相互影響,進而使得二者在可見光波段以及近紅外波段產(chǎn)生的透射峰發(fā)生變化。(3)基于多重幾何特征所產(chǎn)生的不同共振模式相互耦合的特征,提出并設計了一種新型表面等離子體濾光器。在性能上,通過仿真的方式系統(tǒng)地研究了在不同的單元幾何參數(shù)下,濾光器性能受到的影響,實驗表明:幾何參數(shù)的改變,能夠有效地調(diào)節(jié)表面等離子體濾光器的性能。在結構上,濾光器的尺寸小和結構簡單等優(yōu)點,能夠使其在集成電路等的應用上發(fā)揮作用。
【學位授予單位】：南華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB851.7;O53
【圖文】：

將使得人們理解納米微結構與表面等離子體激發(fā)之間的內(nèi)在關系變得更加簡單易懂。下圖1.1 中，金屬/電介質(zhì)的界面為圖中的 X-Y 平面，在空間 Z<0 中填充金屬材料，其介電常數(shù)為m ；在空間 Z>0 內(nèi)填充電介質(zhì)其介電常數(shù)為1 的材料�，F(xiàn)假設入射光為磁場平行于 y 軸的 TE 波，且 SPs 沿 X 軸方向傳播。當入射光垂直照射到金屬/電介質(zhì)界面的表面時，在金屬表面自由移動的電子與光子在達到共振頻率后會進行共同的振蕩，自此 SPs 在金屬/電介質(zhì)界面產(chǎn)生[5,6]。圖 1.1 不同介質(zhì)界面的 SPs 激發(fā)的示意圖結合麥克斯韋方程組和表面等離子體的特性，能夠?qū)㈦姶艌龅男问接萌缦率阶颖硎荆海?）Z>0 區(qū)域，即在電介質(zhì)中，i(kk)ddxdz(kk)dydxdzdxdzE(E,0,E)eH(0H,0)e i

切線方向需連續(xù)，可得，21spp0kk()mdmd ………………介電常數(shù)m <0，由此可以得到 ||m d 率ω對于金屬的介電常數(shù)m 有重要的影導出表面等離子體的波矢sppk 的色散關系，可以通過下面的 Drude 模型來表示： ip2m( )1………………振蕩頻率表示為2p 。 表示散射速率，

它的基本原理是：在棱鏡表面鍍上一層金屬薄膜，當入射光在金屬薄膜與棱鏡的交界面上發(fā)生全反射時，會產(chǎn)生上文中提到的倏逝波來激發(fā) SPs。在 Otto 結構中，當所選的金屬薄膜和三角棱鏡表面中有一定的空氣小狹縫的時候，倏逝波也能夠在其中產(chǎn)生全反射，從而產(chǎn)生 SPs[8,9]。如圖 1.3(b)中所示，如果能夠在金屬和介質(zhì)的界面構造出光柵，且光柵有一定的周期，那么在金屬和介質(zhì)的界面上的光柵便能產(chǎn)生衍射波，使其達到波矢匹配的程度，這樣的方式同樣能夠在金屬薄膜和介質(zhì)的界面上激發(fā)出 SPs[7]。圖 1.3(c)中所表達的方式則是將波導兩側的消逝波中的場能，使用耦合的方式在結構中激發(fā) SPs[13]。圖 1.3(d)所示的激發(fā)方式和Kretschmann 結構中的激發(fā)方式非常類似，這種是在金屬和襯底介質(zhì)的界面上通過物鏡聚焦入射光，可以在界面上實現(xiàn)對 SPs 的激發(fā)[14]。如圖 1.3(e)所示又是另外的一種情況，在探針尖端處能夠人為的發(fā)射出來的光，而這束光能夠一定程度上激發(fā) SPs[15]。

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1 黃

本文編號：2798255