【摘要】：隨著納米加工技術(shù)及光電集成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在納米量級控制和操縱光場已經(jīng)成為一個非常重要的發(fā)展方向。因此,發(fā)展體積更小、性能更優(yōu)的新型納米光學(xué)器件是目前國際前沿研究的一個熱點課題。表面等離子體由于其獨特的性質(zhì)引起了科研人員的廣泛關(guān)注。近年來,基于表面等離子體的各種納米光學(xué)器件也層出不窮。本論文設(shè)計了具有超小模式體積的表面等離子體納米光學(xué)共振腔、混合雙楔形表面等離子體波導(dǎo)、類楔形表面等離子體波導(dǎo)、以及具有亞波長模式局域性的全介質(zhì)波導(dǎo),并運用有限時域差分(FDTD)方法和有限元方法(FEM)方法研究了表面等離子體納米光學(xué)共振腔、表面等離子體波導(dǎo)、以及全介質(zhì)波導(dǎo)的光學(xué)特性。本論文的主要研究工作如下:1.編寫了計算電磁場在多層介質(zhì)中傳播和散射的Matlab程序,利用該Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了對電磁場在三層介質(zhì)中傳播和散射問題的計算,解決了金屬接觸到完美匹配層(PML)邊界時計算結(jié)果發(fā)散的問題。2.根據(jù)對表面等離子體特性的了解,設(shè)計了一種基于表面等離子體的納米光學(xué)共振腔,用FDTD、DDA、以及FEM等多種方法研究了該表面等離子體納米光學(xué)共振腔的光學(xué)性質(zhì),計算了該表面等離子體納米光學(xué)共振腔的Purcell因子、品質(zhì)因子、以及模式體積,分析了表面等離子體納米光學(xué)共振腔中的共振模式,研究了納米腔腔材料的光學(xué)常數(shù)對納米腔性質(zhì)的影響,討論了包含二氧化硅基底時的效應(yīng)。3.在充分了解各種納米光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,設(shè)計了性能更優(yōu)的混合雙楔形表面等離子體波導(dǎo)、類楔形表面等離子體波導(dǎo)、全介質(zhì)蝴蝶結(jié)波導(dǎo)、以及全介質(zhì)納米線波導(dǎo),利用FEM研究了這些波導(dǎo)的光學(xué)特性。本論文的創(chuàng)新點和特色:1.設(shè)計了一種具有超小模式體積的表面等離子體納米光學(xué)共振腔,該表面等離子體納米光學(xué)共振腔在獲得超小模式體積的同時還可以得到較大的Purcell因子和較高的品質(zhì)因子,這對今后自發(fā)輻射增強的研究具有一定的指導(dǎo)意義。2.設(shè)計了一種混合雙楔形表面等離子體波導(dǎo),該表面等離子體波導(dǎo)在保證一定傳播長度的情況下可以得到超小的歸一化模式面積或者在保證一定模式局域性的情況下可以得到較長的傳播距離,而且該混合雙楔形表面等離子體波導(dǎo)具有一定的制作容差性,使其可廣泛應(yīng)用于高集成光子電路、光學(xué)捕獲、及納米激光器等方面。3.基于不同介質(zhì)交界面處電位移法向分量和電場切向分量的連續(xù)性設(shè)計了全介質(zhì)波導(dǎo),在一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)了亞波長模式局域性和理論上沒有損耗的傳播,克服了表面等離子體波導(dǎo)傳輸損耗大和傳統(tǒng)電介質(zhì)波導(dǎo)模式局域性差的缺陷,對今后納米光學(xué)器件的設(shè)計具有一定的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN252
【圖文】：

ｏｎｉｃｓ）作為納米光學(xué)的一個重要組成部分，也受到等人于１９９８年發(fā)現(xiàn)周期性納米孔金屬薄膜具有光Ｈａｓｍｏｎｉｃｓ的研宄。２００２年，他們又發(fā)現(xiàn)刻有牛現(xiàn)光的無衍射穿透ｗ。隨著對Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ研宄的日進步，Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ逐漸發(fā)展成為一門新興的獨立學(xué)離子體逡逑子體（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，邋ＳＰＰｐ７］是在金屬種表面電磁波（是光與電子的集體振蕩），在一定條有兩個明顯的特征：（１）邋ＳＰＰ在傳播方向上具有比的波長），（２）邋ＳＰＰ場在與傳播方向垂直的方向上ＳＰＰ可以實現(xiàn)在亞波長量級上對光的控制和操縱，［８］的亞波長光學(xué)器件成為可能，有望為光學(xué)集成和的突破。逡逑

數(shù)ｆ邋＝邋ｉ／｜Ｍ可定義為ＳＰＰ場在垂直于金屬－電介質(zhì)交界面方向上的穿透深度。由逡逑方程（１．２０）－方程（１．２５）可以看出，ＳＰＰ場沿Ｚ方向是指數(shù)衰減的，ＳＰＰ主要逡逑局域在金屬與電介質(zhì)的交界面處傳播。圖１．２給出了在無窮大的金屬和電介質(zhì)交逡逑界面處ＳＰＰ的場分布。逡逑ＺＡ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾逡逑＋邋＋邋＋邐邐＼＾／＋邋＋邋＋邐邐邋Ｘ逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑圖１．２無窮大的金屬和電介質(zhì)交界面處ＳＰＰ的場分布［６］逡逑利用／／ｖ和盡在交界面處的連續(xù)性可得逡逑叢＝－么邐（１．２６）逡逑由于￡２＞０邋Ｒｅｌ＾ＪｉＯ，由表達式（１．２６）可知，表面波只能存在于介電常數(shù)的逡逑實部互為相反數(shù)的兩種材料的交界面處，通常為金屬和電介質(zhì)的交界面處。逡逑將的表達式（１．２０）和（１．２３）代入ＴＭ模的波方程（１．１６）可得逡逑４逡逑

由于棱鏡耦合會涉及到激發(fā)光束在金屬和空氣的交界面處的隧穿，因此棱鏡逡逑z1合又被稱為衰減的全內(nèi)反射，其中最常用的兩種結(jié)構(gòu)分別是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)逡逑［如圖１．４⑷所示］和Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)［如圖１．４（ｂ）所示］［２２】。在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)中，一層逡逑金屬薄膜位于一個玻璃棱鏡的上方，激發(fā)光以大于全內(nèi)反射臨界角的入射角從玻逡逑璃棱鏡的一端入射并穿透金屬薄膜，從而激發(fā)金屬和空氣的交界面處的ＳＰＰ。由逡逑于Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)中的倏逝波需要穿透金屬薄膜來激發(fā)金屬和空氣交界面處逡逑的ＳＰＰ，所以該結(jié)構(gòu)中的金屬膜通常比較薄。在Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)中，玻璃棱鏡和金屬逡逑薄膜之間存在一個空氣間隙，激發(fā)光從棱鏡的一端以等于全內(nèi)反射臨界角的入射逡逑角入射，倏逝波需要穿過棱鏡和金屬之間的空氣層來激發(fā)金屬和空氣交界面處的逡逑ＳＰＰｃ逡逑６逡逑

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本文編號：2802085