【摘要】：表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是通過改變金屬表面的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種光波與可遷移的表面電荷之間電磁模,可以支持金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娴入x子波,從而傳輸光能量,且不受衍射極限的限制。正因?yàn)镾PPs這種獨(dú)特的性質(zhì),使其在納米量級(jí)操縱光能量的應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。本文的研究以對(duì)稱SPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),旨在深入分析改進(jìn)對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的表面等離子體激元的放大與傳播特性,為實(shí)現(xiàn)表面等離子技術(shù)在等離子芯片、光電集成的應(yīng)用提供了方向。本論文主要做了以下幾個(gè)方面的研究工作:首先介紹了表面等離子體激元的基本參數(shù)特性,分析了表面等離子體激元的色散關(guān)系,闡述了金屬-介質(zhì)、加載介質(zhì)、長(zhǎng)程、金屬-介質(zhì)-金屬4類SPPs波導(dǎo)的發(fā)展概況,重點(diǎn)分析了Kretschmann結(jié)構(gòu)的SPPs耦合模型。設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的對(duì)稱金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)放大器,建立了改進(jìn)MIM結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)粒子束方程。通過有限元基模分析的方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)強(qiáng)局域化特性,FDTD分析進(jìn)一步得出了結(jié)構(gòu)可以提高近20倍的SPPs傳播距離,能夠?qū)崿F(xiàn)在傳播增強(qiáng)的同時(shí)不發(fā)生增益-補(bǔ)償導(dǎo)致的不穩(wěn)定現(xiàn)象。這一對(duì)稱金屬波導(dǎo)放大器的改進(jìn)設(shè)計(jì)將為大規(guī)模集成光子學(xué)芯片設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)對(duì)稱介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPPs器件,采用了加載玻璃的多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu),引入了Kretschmann結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)SPPs的激發(fā),實(shí)現(xiàn)了無(wú)需犧牲波導(dǎo)亞波長(zhǎng)尺寸提高SPPs傳播距離的特點(diǎn)。FDTD分析結(jié)果表明:改進(jìn)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠顯著增加SPPs傳播距離和提高電場(chǎng)強(qiáng)度,大約提高了近20倍的SPPs傳播距離。采用對(duì)比不同厚度的薄膜層發(fā)現(xiàn):薄膜最薄時(shí),局域化效果最好;改進(jìn)結(jié)構(gòu)能夠顯著增加SPPs耦合效果。這一結(jié)構(gòu)為SPPs在新型光子器件、寬帶通訊系統(tǒng)、微小光子回路、光電子集成等方面應(yīng)用提供關(guān)鍵器件。
【圖文】：

面等離子體激元的基本色散關(guān)系PPs 是一種沿金屬表面?zhèn)鞑サ馁渴疟砻娌ǎ且环N電磁模式，其產(chǎn)生原因金屬內(nèi)部的電荷密度的漲落。因此，SPPs 滿足麥克斯韋方程。) SPPs 的色散關(guān)系PPs 激發(fā)條件和色散關(guān)系有不可忽略的關(guān)系，SPPs 它的色散特性滿足如示的色散關(guān)系。如圖 1-1 所示，實(shí)線表示表面等離子體電磁波的色散關(guān)系波的方向平行于光滑金屬平面；虛線則表示電介質(zhì)中光的色散關(guān)系。從我們可以明顯的看出，頻率不超過 6×1014Hz 的時(shí)候，SPPs 沿金屬表面?zhèn)麝P(guān)系與介質(zhì)(如真空)中的電磁波的色散關(guān)系十分相似，但是，隨著頻率大，表面等離子體波的傳播慢慢遠(yuǎn)離介質(zhì)中的電磁波，不斷下降并逐漸屬表面等離子體共振頻率的數(shù)量級(jí)。對(duì)于平常金屬的光滑平面而言，這質(zhì)使得等離子體波在高頻情況下直接穿透金屬，從而很難與入射光波發(fā)用，，在近紅外和可見光范圍內(nèi)，效果更為顯著。

圖 1-2 表面等離子體傳播示意圖的介電常數(shù)分別為1ε 和2ε ，且1ε 和2ε 均與求解 Helmholtz 方程 022 E +kE=會(huì)得到一達(dá)式：effnccωεεωεεβ =+=1212折射率。導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳波損耗很大程度上取決于表面對(duì)其光學(xué)器件和光路的大小和尺寸起到了決損耗與傳播距離成反比：0 020log( ) 8.686 8.686 (dB/meff eff pα = e k N ′ ≈ k N ′=L數(shù)的關(guān)系結(jié)合上述分析可知表面等離子體激1 20 02SPPπε ελ λ λβ ε ε+= = <
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN252

【參考文獻(xiàn)】

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5 張U

本文編號(hào)：2535722