【摘要】：表面等離激元(Surface Plasmons,簡稱SPs),是一種電子氣集體振蕩~([1]-[15])。由于隱場的特點,空間域的光場衍射極限被SPs打破,并出現(xiàn)局部增強效應(yīng)。這些特性使SPs廣泛用于敏感傳感器,完美吸收體,超分辨率納米光開關(guān)等領(lǐng)域。本論文利用軟件FDTD,對設(shè)計的光子器件中的等離子體誘導(dǎo)吸收機理和應(yīng)用進行研究,具體的研究內(nèi)容和研究成果如下:(1)理論研究基于Drude模型的金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元電磁誘導(dǎo)吸收效應(yīng)。從波動方程出發(fā),結(jié)合表面激發(fā)的色散關(guān)系和空間分布特性,討論金屬/絕緣體界面上的表面等離極化激元的基本性質(zhì),并對場約束程度的定量計算進行了詳細的討論。研究摻雜石墨烯體系在可見光和中紅外波段的光學(xué)響應(yīng),探討其支持的局域化和傳導(dǎo)型表面等離激元的光學(xué)性質(zhì),并論證石墨烯表面等離激元的優(yōu)越性。石墨烯具有良好的電光調(diào)制特性;摻雜的石墨烯可以在一個寬帶范圍內(nèi)支持等離激元模式;石墨烯具有超高的電子遷移率,使其兼具優(yōu)異的電學(xué)性能和光學(xué)性能。因此,基于這些突出的優(yōu)勢,石墨烯的引入不僅豐富了等離激元器件的設(shè)計方法還拓展了等離激元器件的應(yīng)用領(lǐng)域。(2)理論設(shè)計基于金屬表面等離激元的超材料完美吸收體。在二維仿真的基礎(chǔ)上,展開對三維周期單元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。概述了納米光子系統(tǒng)的誘導(dǎo)吸收。在理論上和數(shù)值上研究了表面等離激元EIA效應(yīng),并展示了在雙層堆疊材料中的窄帶完美吸收。吸收峰的線寬大于10nm,吸收率超過98%,耦合表現(xiàn)出近場和遠場兩種狀態(tài)的特征。類-EIA系統(tǒng)在光頻下表現(xiàn)出強大的電磁場增強能力,有利于提高光譜儀器的靈敏度。(3)理論設(shè)計基于石墨烯超材料的中紅外可調(diào)近完美吸收器。我們提出并利用FDTD方法模擬了介質(zhì)中(石墨烯)的三維非均勻垂直場。概述了經(jīng)典電磁耦合誘導(dǎo)吸收的等離子體模型和納米光子系統(tǒng)的超材料吸收。對等離子體吸收效應(yīng)進行了數(shù)值研究,并在兩層石墨層堆疊的超材料中表現(xiàn)出了窄帶的完美吸收。該系統(tǒng)的一個吸引人的特點是吸收峰的寬度為160 nm,吸光度接近97.12%。值得注意的是,除了變化的幾何參數(shù)外,吸收光譜還可以通過化學(xué)勢的微小變化來動態(tài)調(diào)整。另此外,所提出的系統(tǒng)在中紅外波長區(qū)域表現(xiàn)出強電磁場增強,這有利于提高光譜裝置的靈敏度。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

圖 1.1 平面光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)圖示。文獻[1輸。電場分布可以定義為 ( , , ) (x y z E E 為相應(yīng)傳輸方向的波矢。將這個表達式22 202( )( ) 0zkz EE (1.5)，同時對于可解析得到波傳輸過程中的色散特性和耦合過后的電磁波方程組可以改寫如0000yzxx zyyxzyzxEEi Hy zE Ei Hz yEEi Hx yHHi Ey z

據(jù) SPP 波矢與波長的關(guān)系S P PS P Pk ,能夠得到"0'd mS P Pd m (1中0 是入射波長，因此可以知道S P P 總是稍微小于真空中光波長 。下圖 1.2 是基于金屬/絕緣質(zhì)表面等離激元吸收體的有效介電常數(shù)的各分應(yīng)波長變化的曲線。x ，y ，z 用來表示吸收體有效介電常數(shù)的分量。m 表屬的相對介電常數(shù)。d 表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)[57-59]：( ) (1 ) ( )( ) ( )( ) (1 ) ( )x y m dm dzd mf ff f (1中， f 指的是金屬的占有率， / ( )m m df t t t。從圖 1.2 可以清楚地看到，0-800nm 波段R e ( ) ) 0 , Im ( ) ) 0x z（ eps （eps ，此特征材料可看作各向異性的材料，其吸波的機理與一般有損介質(zhì)相似[60-61]。

02212( )4eff E 義材料的電場能量表達式。，其中 1/2 因子的引入是默認了振蕩性。對于量化光與物質(zhì)之間相互作用強度而言，例如把一個分位能量的電場強度是很重要的。氣/Au 的 MIM 異質(zhì)結(jié)構(gòu)為例，圖 1.3(a)曲線展示了自由空間nm 時，隨間隙尺寸變化，對應(yīng)激發(fā)的表面等離極化激元基模部與虛部的變化，計算中 Au 的介電函數(shù)利用德魯特模型擬合972,Ordal et al,1983]。實部和虛部都隨著間隙尺寸的減小二增近于極化激元激發(fā)時，在入射波長0 =600nm，850nm，1.5um況下存在于金屬中的電場能量比例曲線。以間隙 20nm 為里，，這部分能達到能量的 40%。注意此間隙尺寸還是接近于 場能量都會向金屬區(qū)域轉(zhuǎn)移。

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本文編號：2759194