發(fā)布時間：2020-08-23 17:19

【摘要】：表面等離激元(surface plasmons,SPs)是金屬表面的自由電子的集體振蕩。貴金屬納米顆粒表面自由電子的集體振蕩,產(chǎn)生不能傳播的電荷密度波,稱為局域的表面等離激元(Localized Surface Plasmon,LSP)。LSP能夠?qū)崿F(xiàn)局域電場增強(qiáng),提高許多光學(xué)過程的效率,在表面增強(qiáng)光譜、生物傳感等方面有著廣泛的應(yīng)用。沿著金屬和介質(zhì)之間的界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娴入x激元,稱為表面等離極化激元(Surface PlasmonPolaritons,SPPs)。SPPs能夠突破傳統(tǒng)的光的衍射極限,實(shí)現(xiàn)亞波長尺度的光信息傳輸與處理,從而作為信息載體在納米光子集成回路中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。本文應(yīng)用有限元方法(FEM),研究了表面等離激元波導(dǎo)的傳輸特性及金屬納米陣列的光學(xué)手性響應(yīng)。主要研究工作如下:1、本文設(shè)計了十字結(jié)構(gòu)銀納米線波導(dǎo),研究了該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在可見光波段(λ=532 nm)所支持的幾種模式的SPPs的分束特性,討論了十字結(jié)構(gòu)銀納米線波導(dǎo)端面的幾何參數(shù)對不同模式的SPPs的分束特性的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明:不同模式SPPs的有效折射率、傳播長度、有效模式面積強(qiáng)烈地依賴于十字結(jié)構(gòu)銀納米線波導(dǎo)端面的幾何參數(shù)。此外不同模式的SPPs在十字結(jié)構(gòu)三個分支的分束特性強(qiáng)烈地依賴于十字結(jié)構(gòu)銀納米線波導(dǎo)端面的幾何參數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)由于不同模式的SPPs的疊加,在十字結(jié)構(gòu)的分支上出現(xiàn)了周期性電場分布,電場分布的周期依賴于十字結(jié)構(gòu)銀納米線波導(dǎo)端面的幾何參數(shù)。這種十字結(jié)構(gòu)的SPPs銀納米線波導(dǎo)在光互聯(lián)、納米光子集成回路領(lǐng)域內(nèi)具有潛在的應(yīng)用價值。2、本文設(shè)計了 V形銀納米線復(fù)合型波導(dǎo),研究了該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在通訊光波段(λ = 1550 nm)SPPs的傳輸特性,討論了復(fù)合波導(dǎo)的幾何參數(shù)對SPPs的傳輸特性的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明:該復(fù)合型波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)較小的有效模式面積和較長的傳播長度,光場的強(qiáng)局域性是由于V形銀納米線尖端的場增強(qiáng)以及金屬斜面的側(cè)向約束。此外,SPPs的有效折射率、傳播長度、有效模式面積強(qiáng)烈地依賴于V形銀納米線的幾何參數(shù),通過計算SPPs電場能量在二氧化硅、金屬銀和半導(dǎo)體襯底硅中的分布分析了該復(fù)合型SPPs波導(dǎo)的傳輸特性與V形銀納米線的幾何參數(shù)的依賴關(guān)系。3、本文提出了放置于二氧化硅介質(zhì)襯底上的周期性非手性L形金屬納米陣列,研究了該非手性金屬納米陣列在斜入射圓偏振光照射下“外在手性”的圓二色性(Circular Dichroism,CD)效應(yīng),討論了入射光的入射方向以及L形金屬納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對CD效應(yīng)的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明:入射光斜入射時,非手性L形金屬納米陣列能夠?qū)崿F(xiàn)較寬頻帶的CD效應(yīng),并且其CD效應(yīng)是可調(diào)的:CD效應(yīng)的大小和符號強(qiáng)烈地依賴于入射光的入射方向。此外該金屬納米陣列的CD效應(yīng)光譜頻帶范圍依賴于L形金屬納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。因此,這種能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)諧CD效應(yīng)的簡單的平面結(jié)構(gòu),易于被成熟的平面制造技術(shù)制備。這些結(jié)果對設(shè)計寬頻帶圓偏振片具有一定的參考價值。4、本文提出了一種金屬納米棒與S形金屬納米結(jié)構(gòu)組合的平面手性金屬納米陣列,研究了該陣列的圓偏振光非對稱傳輸(Asymmetric Transmission,AT)效應(yīng),討論了金屬納米組合結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對AT效應(yīng)的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明:圓偏振光垂直照射下,該金屬納米陣列能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的AT效應(yīng),此外,AT效應(yīng)具有魯棒性:當(dāng)納米棒與S形納米結(jié)構(gòu)的間距在一定范圍內(nèi)變化時,AT效應(yīng)的大小和頻帶范圍基本不變。這些結(jié)果對設(shè)計偏振轉(zhuǎn)換器具有一定的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O441;TB383.1
【圖文】：

振的固有頻率強(qiáng)烈的依賴于其本身的形狀、幾何尺寸、材料屬性以及周圍介電環(huán)逡逑境。金屬顆粒受到與其固有頻率相當(dāng)?shù)墓獾淖饔孟�，就形成了電子的集體振動，逡逑這樣就產(chǎn)生了如圖１邋－１所示的ＬＳＰ。逡逑許多納米結(jié)構(gòu)都能夠產(chǎn)生ＬＳＰ共振，比如常見的球形金屬納米顆粒、橢球形逡逑金屬納米顆粒、金屬納米棒，金屬納米星等。此外，構(gòu)成聚合物的金屬納米顆粒逡逑之間的耦合也會產(chǎn)生ＬＳＰ共振，而且在構(gòu)成聚合物的各個單元之間的空隙內(nèi)形成強(qiáng)逡逑電場。除此之外，金屬納米孔洞結(jié)構(gòu)也能夠產(chǎn)生ＬＳＰ共振，周期性的金屬納米孔洞逡逑結(jié)構(gòu)既能產(chǎn)生ＬＳＰ，也能產(chǎn)生沿著金屬表面?zhèn)鞑サ模樱校校�。逡逑＾ｖｆｖ逡逑圖１－１局域表面等離激元示意圖［３ｉ］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＬＳＰ逡逑對于金屬顆粒，其幾何尺寸與入射光波的波長相比，小很多時，建立靜電場逡逑的理想模型，求解出金屬納米顆粒的極化

邋１－５邋Ｔｈｅ邋ＳＰＰｓ邋ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｄｅｃａｙｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｉｎｔｅ無源麥克斯韋方程組：逡逑ｗ－中，逡逑＜邋ＶｘＨ＾＝￡ｊ邋—邋ＥｊＶ邐？邋Ｄ，邋＝邋０逡逑Ｖ邐？邋５，邋＝邋０逡逑0＿邋＝邋ｌ，２）當(dāng)／邋＝邋１時，代表金屬的介電常數(shù)，即￥＝￡？？；當(dāng)？＿邋＝邋２常數(shù)，即心＝心；Ａ＝心Ｅ，，盡＝片及，。逡逑邊界條件可得，電磁場場的切向分量在ｚ邋＝邋０處是連續(xù)的，由＾ｍｃ邋￣邋＾ｄｘ逡逑Ｈｎｕ邋＝Ｈｄｘ逡逑

Ｆｉｇ．邋１－８邋（ａ）邋Ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ邋Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；邋（ｂ）邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑由于Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)不便于實(shí)際使用，物理學(xué)家Ｋｒｅｓｃｈｍａｍｉ１：２２］在此基礎(chǔ)上提出了逡逑—種便于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)ＳＰＰｓ激發(fā)的結(jié)構(gòu)如圖１－９邋（ａ）所示，即Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ模型。逡逑該結(jié)構(gòu)中棱鏡與金屬材料不存在空氣隔離，直接接觸，因此操作簡單容易，目前逡逑廣泛使用于科研與生產(chǎn)中用來實(shí)現(xiàn)ＳＰＰｓ的激發(fā)。該結(jié)構(gòu)同樣利用棱鏡的全反射逡逑光波的波矢補(bǔ)償，從而使得入射光波矢的水平分量與ＳＰＰｓ的波矢相匹配，在金逡逑屬與介質(zhì)的分界面激發(fā)出ＳＰＰｓ，并且ＳＰＰｓ的激發(fā)效率隨著金屬薄膜的厚度的而逡逑降低。逡逑為了提高Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)激發(fā)ＳＰＰｓ的效率，將棱鏡和金屬薄膜用一層折逡逑射率低于棱鏡的介質(zhì)材料隔開，即為改善了的雙層Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)，如圖ｌ－９（ｂ）逡逑所示。改進(jìn)后的雙層Ｋｒｅｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)中，光子能夠遂穿棱鏡與金屬之間的介質(zhì)逡逑材料與金屬表面的自由電荷共振，從而在金屬薄膜的上下兩個表面都能夠激發(fā)出逡逑ＳＰＰｓ。逡逑２、光柵耦合逡逑此外

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2801801