【摘要】：表面等離子激元波(Surface Plasmon Wave,SPW)的發(fā)射與控制是等離子體學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一,在等離子激元學(xué)的相關(guān)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。由于動量失配,傳統(tǒng)的SPW激發(fā)方案依賴于棱鏡的全內(nèi)反射或光柵的衍射,或是利用波導(dǎo)與匯聚光束所產(chǎn)生的消逝波,然而,這樣的方案不適合緊湊和高度集成的光子器件。在這方面,通過納米天線激發(fā)SPW,包括亞波長狹縫、孔徑和納米顆粒,代表了一種更為可行的方法。納米天線對SPW的單向激發(fā)是基于方向相關(guān)的干涉效應(yīng)。例如,由非對稱狹縫激發(fā)的SPW具有不同的空間相位分布,因此,在特定方向上發(fā)生建設(shè)性或破壞性干涉。但是,這樣的干涉都需要組合多個納米天線,在尺寸上同樣受到局限。因此,保持相干電磁偶極子的納米顆粒是單向SPW發(fā)射器的良好候選者�？紤]到電偶極子和磁偶極子,可以以不同的方式實現(xiàn)相干相互作用�；蛘邎A極化偶極子本質(zhì)上也是一種相干偶極子,可以由入射平面波的螺旋度來控制SPW的方向。然而,盡管存在大量這種具有方向性相干納米天線,但是仍很少有用單個納米天線定向選擇性激發(fā)SPW。本論文以現(xiàn)有的研究成果與理論技術(shù)為前提,將研究納米天線與SPW間的耦合作用,探討利用納米天線的不對稱的波矢空間近場域來定向激發(fā)SPW的可行性。論文將以電磁多極展開理論、基于洛倫茲互易定理的近場-遠場變換技術(shù)與場分布角譜表示為主要研究方法,從研究理想點源與SPW的近場耦合作用出發(fā),在位置空間與波矢空間探討惠更斯偶極子與圓極化偶極子的近遠場分布情況。擬將對于點源的研究成果推廣到實際的納米天線。對應(yīng)于惠更斯偶極子,提出了采用雙頻帶多層金屬-介質(zhì)-金屬(Metal-Dielectric-Metal,MDM)天線單向激勵SPW的方案;而對應(yīng)于圓極化偶極子,研究設(shè)計一種1/4圓錐型納米天線用以控制SPW的激發(fā)方向。我們將對點源或納米天線進行有限元全波數(shù)值模擬、近場-遠場變換技術(shù)和近場角譜驗證,并研究兩種實際天線對SPW的定向激發(fā)特性,另外包括能量特性,參數(shù)控制特性等。納米天線與SPW相結(jié)合將為表面等離子器件提供更多樣的設(shè)計開發(fā)方法。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O53;TN826
【圖文】：

圖 2-1 洛倫茲互易定理示意理圖遍的情況如圖 2-2 所示，單軸平面分層介質(zhì)結(jié)狀的散射體（矩形、球體和任意形狀），假定層同性的，并已知其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，最重要料都是互易的，即有T Tε ε ，μ μ ，“T”表示“盒子”（藍色虛線）來提取近場電磁波矢量，均勻區(qū)域都被包含在其中，即“盒子”以外的境。而入射光來源可以來自位于封閉區(qū)域 以外時，入射光波可視為平面波），也可以是來自封意的是，當(dāng)入射光來自不均勻區(qū)域外部1J ，則體存在的情況下，由源1J 入射產(chǎn)生的電磁場），由源1J 照亮分層介質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的電磁場）之區(qū)域內(nèi)部2J ，則散射近場就是源2J 與散射體和�？梢钥闯鰧τ谒星闆r入射光波在散射體的量一部分進入自由空間向無窮遠處輻射，而另

考慮到最普遍的情況如圖 2-2 所示，單軸平面分層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的任意位幾個隨機形狀的散射體（矩形、球體和任意形狀），假定層狀結(jié)構(gòu)的各均勻且各向同性的，并已知其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，最重要的是不論是還是介質(zhì)材料都是互易的，即有T Tε ε ，μ μ ，“T”表示轉(zhuǎn)置。通過小的長方體“盒子”（藍色虛線）來提取近場電磁波矢量，“盒子”的保所有的不均勻區(qū)域都被包含在其中，即“盒子”以外的區(qū)域?qū)?yīng)的分層結(jié)構(gòu)環(huán)境。而入射光來源可以來自位于封閉區(qū)域 以外的局域源于無窮遠處時，入射光波可視為平面波），也可以是來自封閉區(qū)域 內(nèi)2J 。值得注意的是，當(dāng)入射光來自不均勻區(qū)域外部1J ，則散射近場應(yīng)場（在散射體存在的情況下，由源1J 入射產(chǎn)生的電磁場）與背景場（體的情況下，由源1J 照亮分層介質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的電磁場）之間的插值。來自不均勻區(qū)域內(nèi)部2J ，則散射近場就是源2J 與散射體和介質(zhì)環(huán)境相生的電磁場�？梢钥闯鰧τ谒星闆r入射光波在散射體的作用向封閉射，輻射能量一部分進入自由空間向無窮遠處輻射，而另一部分的能足波導(dǎo)模式沿分層介質(zhì)形成的波導(dǎo)向無窮遠處輻射。

0 0 ”代表平面波背離散射體方向傳播，反之若是“ 體 方 向 傳 播 ，“ ^ ” 代 表 單 位 矢 量 ，0 1 u k n sin ，0 1 1 k cos ，其中0k 是真空中波矢， 介電常數(shù)與磁導(dǎo)率。于是由散射體激發(fā)的散射電磁1z =z 時的電磁場分布 ( E , H )展開為1 f 0 1 ( x , y , z ) c ( , ) exp[i(u x vy z )]dudvE E 1 f 0 1 ( x , y , z ) c ( , ) exp[i(u x vy z )]dudvH H )——沿 方向傳播的平面波分量的振幅系數(shù)。易理論，可以由封閉曲面 上的電磁場來獲得振幅0 0 1f20 0 ( , ) ( ) 8k Zc d E H E H SE E是介電極化率。波阻抗，面元 S 的方向朝外。于是將式（2-33）計

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本文編號：2765416