基于混合兩種金屬介質(zhì)波導(dǎo)的三維光波導(dǎo)及器件的設(shè)計(jì)與研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-29 13:52
表面等離激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是由金屬表面的自由電子和光子相互作用激發(fā)形成一種電磁表面波�；赟PPs的納米器件能夠?qū)⒐獠ň窒拊诮饘俦砻娴膩啿ㄩL區(qū)域內(nèi),從而可以突破衍射極限對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)器件的限制,實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的光傳輸與處理。SPPs的獨(dú)特性質(zhì),使得它在新能源、傳感和高靈敏生物檢測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)SPPs研究的逐步深入,其在新型光子學(xué)器件和光學(xué)傳感等微納米器件研究領(lǐng)域必將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。本文基于對(duì)稱與非對(duì)稱兩種金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)提出了一種納米三維等離激元波導(dǎo)（three-dimensional plasmonic waveguide,TDPW）,用有效折射率理論分析了其傳播特性,然后以TDPW為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究了多種微納光學(xué)器件,利用時(shí)域有限差分方法進(jìn)行了對(duì)設(shè)計(jì)的波導(dǎo)及器件的性能做出數(shù)值仿真驗(yàn)證。具體工作如下:（1）應(yīng)用有效折射率法和數(shù)值仿真對(duì)SPPs在TDPW的傳播特性進(jìn)行了研究,分析了在兩種固定波長（1550nm和635nm）情況下,改變波導(dǎo)幾何參數(shù)包括包覆層金屬Ag條的寬度’和高度Am,以及中間介質(zhì)層Si02的厚度td對(duì)...
【文章來源】：武漢大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：72 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
電磁波洛兩種無限大介質(zhì)交界面處傳播
法以及近場耦合［５７］的方式等。??（１）衰減全反射耦合激發(fā)??圖２．３為衰減全反射耦合兩種常用的裝置，圖２．３⑷是Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)［１３］，圖２．３㈨??是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)［１４］。他們工作的基本原理相同，都是要通過改變透射棱鏡下??方介質(zhì)層的厚度，光以特定入射角（要比臨界角大）在進(jìn)入透明棱鏡后在棱鏡底??部位置產(chǎn)生全反射，全反射的同時(shí)也會(huì)在棱鏡和其下方介質(zhì)的交界處形成了一??種表面波，這其實(shí)就是一種倏逝波，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)層厚度，使得入射光波矢與??ＳＰＰｓ的波矢相匹配，從而可以在金屬與介質(zhì)交界處激發(fā)出ＳＰＰｓ，這樣就會(huì)減少??來自棱鏡底部的全反射光強(qiáng)，產(chǎn)生一個(gè)吸收峰，因此稱其為衰減全反射激發(fā)。??１３??
圖２．３?ＳＰＰｓ衰減全反射搞合激發(fā)裝置（ａ）圖所示為Ｏｔｔｏ型（ｂ）圖為Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ??型??兩者的區(qū)別是，Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)，從圖２．３（ａ）可以看到，棱鏡與金屬層之間有一個(gè)??非常狹窄的空氣縫隙，這樣有效的保護(hù)了金屬膜與棱鏡的表面結(jié)構(gòu)，這對(duì)像單晶??表面光子極化等特殊研究非常有好處。同時(shí)，它的缺點(diǎn)是，倏逝波在法線方向呈??指數(shù)衰減，為能有效耦合激發(fā)ＳＰＰｓ，這個(gè)空氣狹縫必須做的小才行，一般而言??在幾十個(gè)納米級(jí)別，在結(jié)構(gòu)的加工制作上存在著較大的技術(shù)難度，因此這種激發(fā)??方式使用較少。Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)是直接將金屬薄膜緊貼在棱鏡底部，由于其厚??度非常薄，利用隧道效應(yīng)，光子可以直接穿透過去從而在金屬表面激發(fā)出ＳＰＰｓ。??此外ＳＰＰｓ在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)的全反射吸收峰的波矢和形狀，與金屬薄膜的厚度??以及復(fù)介電常數(shù)有著密切聯(lián)系。因此這種方式能夠用來測定金屬膜厚度和復(fù)介電??常數(shù)。??ｙ?ｚ?＼ｌ／??Ｚｍ?ｋｓｐｐ??圖２．４激發(fā)ＳＰＰｓ的光柵衍射結(jié)構(gòu)示意圖??光柵耦合激發(fā)［５５］??光柵上邊為周期性的金屬柵格
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]表面等離子體激元研究進(jìn)展[J]. 李娜,倪曉昌,王彬,栗巖峰,李彤,李毅,宋振明. 天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2010(04)
[2]表面等離子體激元的若干新應(yīng)用[J]. 雷建國,劉天航,林景全,高勛,厲寶增. 中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué). 2010(05)
[3]表面等離子體亞波長光學(xué)原理和新穎效應(yīng)[J]. 顧本源. 物理. 2007(04)
[4]近場光學(xué)顯微技術(shù)[J]. 王海潼,劉斐. 應(yīng)用光學(xué). 2005(03)
本文編號(hào)：2945749
【文章來源】：武漢大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：72 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
電磁波洛兩種無限大介質(zhì)交界面處傳播
法以及近場耦合［５７］的方式等。??（１）衰減全反射耦合激發(fā)??圖２．３為衰減全反射耦合兩種常用的裝置，圖２．３⑷是Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)［１３］，圖２．３㈨??是Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)［１４］。他們工作的基本原理相同，都是要通過改變透射棱鏡下??方介質(zhì)層的厚度，光以特定入射角（要比臨界角大）在進(jìn)入透明棱鏡后在棱鏡底??部位置產(chǎn)生全反射，全反射的同時(shí)也會(huì)在棱鏡和其下方介質(zhì)的交界處形成了一??種表面波，這其實(shí)就是一種倏逝波，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)層厚度，使得入射光波矢與??ＳＰＰｓ的波矢相匹配，從而可以在金屬與介質(zhì)交界處激發(fā)出ＳＰＰｓ，這樣就會(huì)減少??來自棱鏡底部的全反射光強(qiáng)，產(chǎn)生一個(gè)吸收峰，因此稱其為衰減全反射激發(fā)。??１３??
圖２．３?ＳＰＰｓ衰減全反射搞合激發(fā)裝置（ａ）圖所示為Ｏｔｔｏ型（ｂ）圖為Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ??型??兩者的區(qū)別是，Ｏｔｔｏ結(jié)構(gòu)，從圖２．３（ａ）可以看到，棱鏡與金屬層之間有一個(gè)??非常狹窄的空氣縫隙，這樣有效的保護(hù)了金屬膜與棱鏡的表面結(jié)構(gòu)，這對(duì)像單晶??表面光子極化等特殊研究非常有好處。同時(shí)，它的缺點(diǎn)是，倏逝波在法線方向呈??指數(shù)衰減，為能有效耦合激發(fā)ＳＰＰｓ，這個(gè)空氣狹縫必須做的小才行，一般而言??在幾十個(gè)納米級(jí)別，在結(jié)構(gòu)的加工制作上存在著較大的技術(shù)難度，因此這種激發(fā)??方式使用較少。Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)是直接將金屬薄膜緊貼在棱鏡底部，由于其厚??度非常薄，利用隧道效應(yīng)，光子可以直接穿透過去從而在金屬表面激發(fā)出ＳＰＰｓ。??此外ＳＰＰｓ在Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ結(jié)構(gòu)的全反射吸收峰的波矢和形狀，與金屬薄膜的厚度??以及復(fù)介電常數(shù)有著密切聯(lián)系。因此這種方式能夠用來測定金屬膜厚度和復(fù)介電??常數(shù)。??ｙ?ｚ?＼ｌ／??Ｚｍ?ｋｓｐｐ??圖２．４激發(fā)ＳＰＰｓ的光柵衍射結(jié)構(gòu)示意圖??光柵耦合激發(fā)［５５］??光柵上邊為周期性的金屬柵格
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]表面等離子體激元研究進(jìn)展[J]. 李娜,倪曉昌,王彬,栗巖峰,李彤,李毅,宋振明. 天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2010(04)
[2]表面等離子體激元的若干新應(yīng)用[J]. 雷建國,劉天航,林景全,高勛,厲寶增. 中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué). 2010(05)
[3]表面等離子體亞波長光學(xué)原理和新穎效應(yīng)[J]. 顧本源. 物理. 2007(04)
[4]近場光學(xué)顯微技術(shù)[J]. 王海潼,劉斐. 應(yīng)用光學(xué). 2005(03)
本文編號(hào)：2945749
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