本文關(guān)鍵詞： 表面等離子激元 納米聚焦 類似階梯型結(jié)構(gòu) 相干相長　出處：《北京郵電大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是光波與金屬表面自由電子相互作用而形成的一種特殊的電磁波形式,它能夠很好的束縛于金屬表面,離開金屬表面則會指數(shù)型衰減。并且SPPs有著突破光的衍射極限的特性,所以對于光學(xué)器件微型化有著極大的潛能。并且在亞波長的金屬結(jié)構(gòu)中,SPPs表現(xiàn)出了特殊的光學(xué)傳輸特性,這個特性可以大大增加傳輸光的效率,對于實(shí)現(xiàn)緊湊的納米聚焦器件有著重要的作用。這些納米聚焦器件主要應(yīng)用于納米光束整形,集成光學(xué),數(shù)據(jù)儲存以及近場成像等領(lǐng)域。因此各種各樣基于SPPs的金屬結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來為了實(shí)現(xiàn)納米聚焦,以及通過不斷的改進(jìn)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)聚焦強(qiáng)度。 本文首先針對Van Duong Ta在2011年提出的雜化波導(dǎo)結(jié)構(gòu),通過增加空氣柱、介質(zhì)膜等方式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。使得傳播距離從628μ m增加到1514μ m,同時光斑大小從2.17e-6μm減小到1.2e-6μ m,實(shí)現(xiàn)了長傳播距離的高束縛SPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 然后基于對納米聚焦器件的深入調(diào)研提出一種新型的納米聚焦器件,先前的研究者提出的納米聚焦結(jié)構(gòu)都是擁有很多水平排列的子結(jié)構(gòu),而本研究所提出的結(jié)構(gòu)是對不同的微米縫在垂直方向上進(jìn)行排列,所以水平尺寸只有2μ m,遠(yuǎn)小于其他納米聚焦器件的尺寸,更加有利于器件集成。這種階梯型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效聚焦主要基于以下幾個原理：在寬縫中成功的多模干涉作用,傳輸光與散射的SPPs發(fā)生相干相長作用,以及高折射率介質(zhì)膜的FP腔效應(yīng)。最終這種階梯型單一微米縫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了I=5.15的高聚焦強(qiáng)度和FWHM=300nm(λ/2的光斑大小的聚焦。 進(jìn)而針對上述階梯型聚焦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,通過對每層金膜厚度以及微米縫寬度的修改,在500nm厚度的金膜上實(shí)現(xiàn)了三維納米聚焦透鏡。并且利用聚焦離子束(FIB)在500nm厚度的金膜上成功刻蝕了實(shí)驗(yàn)樣品。 最后設(shè)計(jì)了一種階梯型單一納米縫結(jié)構(gòu),它能夠在焦距600nm處實(shí)現(xiàn)聚焦。當(dāng)入射波長為830nm時候,通過數(shù)值仿真得到了光斑大小為FWHM=423nm的二維聚焦,以及光斑大小為FWHMX=426nm,FWHMy=690nm的三維透鏡聚焦,并且在實(shí)驗(yàn)上成功觀測到聚焦現(xiàn)象。 總的來說本文理論提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新的設(shè)計(jì)納米聚焦器件的方法,這種方法具有靈活性,通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠?qū)Σ煌ㄩL進(jìn)行聚焦。而所提出的聚焦器件利用垂直排列子結(jié)構(gòu),有著更小的水平尺寸,利于器件的集成。
[Abstract]:Surface Plasmon Polaritons. SPPsis a special form of electromagnetic wave which is formed by the interaction of light wave and free electron on metal surface. It can bind to metal surface very well. Without metal surface, exponential decay occurs. Moreover, SPPs has the characteristics of breaking through the diffraction limit of light, so it has great potential for miniaturization of optical devices, and in subwavelength metal structures. SPPs shows special optical transmission characteristics, which can greatly improve the efficiency of optical transmission. These nano-focusing devices are mainly used in the shaping of nano-beam and integrated optics. Therefore, various metal structures based on SPPs have been designed to achieve nano-focusing and to enhance the focusing intensity through continuous improvement of the structure. In this paper, firstly, the hybrid waveguide structure proposed by Van Duong Ta in 2011 is introduced by adding air column. The structure parameters were optimized by the dielectric film, the propagation distance was increased from 628 渭 m to 1514 渭 m, and the spot size was reduced from 2.17e-6 渭 m to 1.2e-6 渭 m. A high bound SPPs waveguide structure with long propagation distance is realized. Then, based on the in-depth investigation of nano-focusing devices, a new type of nano-focusing devices is proposed. The nanofocusing structures proposed by previous researchers are all substructures with many horizontal arrangement. The structure proposed in this paper is arranged in vertical direction for different micrometers, so the horizontal size is only 2 渭 m, which is much smaller than that of other nano-focusing devices. This kind of step structure is mainly based on the following principles: successful multimode interference in wide slit and coherent interaction between transmitted light and scattered SPPs. And the FP cavity effect of high refractive index dielectric film. Finally, the single micrometer slit structure of this kind of ladder can achieve the high focusing intensity of I _ (5.15) and the focus of FWHM _ (300) nm (位 / 2). Then the parameters of the step focusing structure are optimized by modifying the thickness of each layer of gold film and the width of micrometer slot. Three-dimensional nanocrystalline focusing lens was realized on the gold film of 500nm thickness, and the experimental samples were successfully etched on the gold film with the thickness of 500nm by using focused ion beam beam (FIB). Finally, a single ladder structure is designed, which can focus at 600nm focal length, when the incident wavelength is 830nm. By numerical simulation, two-dimensional focusing with FWHM=423nm size and 3D lens focusing with FWHMXX 426nm FWHMyMY 690nm were obtained. And the focusing phenomenon is observed successfully in the experiment. In general, a new method for designing nano-focusing devices is proposed and experimentally verified in this paper. This method is flexible. By changing the structure parameters, different wavelengths can be focused. The proposed focusing device uses perpendicular substructures and has a smaller horizontal size, which is conducive to the integration of the devices.
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN25

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1448413