本文關(guān)鍵詞：金屬波導(dǎo)陣列中表面等離子體的傳輸特性研究

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【摘要】：隨著納米光子學(xué)的發(fā)展,納米金屬波導(dǎo)陣列引起了人們的極大地關(guān)注,納米金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)衍射控制、亞波長(zhǎng)聚焦、負(fù)折射、離散等離子體Talbot效應(yīng)和光分束等功能,為在納米尺度操控光提供了新的可能。在本論文中,我們將超模理論引入到納米結(jié)構(gòu)的金屬波導(dǎo)陣列里并研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射、深亞波長(zhǎng)聚焦和離散等離子體Talbot效應(yīng)。本文的主要研究工作如下:(1)研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射。已有的關(guān)于金屬波導(dǎo)陣列離散衍射的研究都是針對(duì)無(wú)限個(gè)(或上百個(gè))金屬波導(dǎo)所組成的陣列,而對(duì)于有限個(gè)金屬波導(dǎo)所組成的陣列,產(chǎn)生的離散衍射并沒(méi)有被深入研究。本文模擬了有限金屬波導(dǎo)陣列的場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)傳輸?shù)讲▽?dǎo)陣列的上下波導(dǎo)邊界時(shí),能量被反射回來(lái),形成復(fù)雜的場(chǎng)分布圖案。為了解釋有限金屬波導(dǎo)陣列中的場(chǎng)分布,本文將超模理論引入到金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體傳輸,用一種新的方法推出了相關(guān)的微擾常數(shù)和耦合常數(shù),分別計(jì)算出了波導(dǎo)數(shù)目為N=3,N=4,N=5的金屬波導(dǎo)陣列的傳輸常數(shù)和波函數(shù)。當(dāng)輸入場(chǎng)從陣列的不同位置入射時(shí),會(huì)形成不同的衍射場(chǎng)分布,因此還討論了對(duì)稱性入射和非對(duì)稱性入射的衍射情況,并用表面等離子體超模理論進(jìn)行了理論分析,推出了陣列中的衍射場(chǎng)分布情況,給出了衍射場(chǎng)強(qiáng)度的最大值和最小值的精確位置。本文用時(shí)域有限差分法驗(yàn)證了表面等離子體超模理論,數(shù)值模擬的結(jié)果與超模理論分析的結(jié)果相符,驗(yàn)證了表面等離子體超模理論的正確性。(2)在有限金屬波導(dǎo)陣列中提出一個(gè)新的遮蓋式的深亞波長(zhǎng)聚焦方案。其特點(diǎn)是:陣列的中間波導(dǎo)的入口被遮蓋而只有陣列兩邊的波導(dǎo)被打開(kāi)。模擬結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)可以使入射的平面波(波長(zhǎng)為632.8nm)匯聚到陣列中的單個(gè)波導(dǎo)內(nèi),形成焦點(diǎn),焦點(diǎn)的半高全寬為54nm左右。為了說(shuō)明這種遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列聚焦的特點(diǎn),本文也分析了同等條件下沒(méi)有遮蓋的金屬波導(dǎo)陣列的聚焦情況,發(fā)現(xiàn)沒(méi)有遮蓋時(shí)的半高全寬是150nm左右�？梢�(jiàn),有遮蓋物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點(diǎn)比無(wú)遮蓋物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點(diǎn)要小得多。本文用表面等離子體的超模理論成功解釋了這種聚焦行為,計(jì)算出了有限金屬波導(dǎo)陣列中超模的傳輸常數(shù)和場(chǎng)分布,當(dāng)中間波導(dǎo)的入射端被遮蓋時(shí),入射波僅僅激發(fā)了具有偶對(duì)稱性的超模,整個(gè)場(chǎng)是由這些對(duì)稱性的超模疊加形成的。超模理論預(yù)測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。同時(shí),本文討論了由遮蓋所引起的能量損失,發(fā)現(xiàn)中間波導(dǎo)的遮蓋對(duì)陣列焦點(diǎn)處的能量影響較小。這種中間被遮蓋的陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于:把入射場(chǎng)聚焦到陣列中的單個(gè)波導(dǎo)內(nèi),獲得的焦點(diǎn)比無(wú)遮蓋的陣列要小得多,在損失較小的能量的前提下,焦點(diǎn)處的峰值更尖銳,焦點(diǎn)的大小只有入射波長(zhǎng)的1/12,實(shí)現(xiàn)了深亞波長(zhǎng)聚焦。(3)在有限金屬波導(dǎo)陣列里成功實(shí)現(xiàn)了離散talbot效應(yīng)。一直以來(lái),產(chǎn)生離散talbot效應(yīng)所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當(dāng)大:模擬計(jì)算時(shí)所用的波導(dǎo)個(gè)數(shù)為無(wú)窮多個(gè),而在實(shí)驗(yàn)中采用的波導(dǎo)個(gè)數(shù)也高達(dá)數(shù)百個(gè)。然而,如何在有限個(gè)波導(dǎo)數(shù)目組成的陣列里實(shí)現(xiàn)talbot效應(yīng),一直以來(lái)都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)分析有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的傳播常數(shù)和波函數(shù)得出了超模激發(fā)系數(shù)與輸入場(chǎng)之間的定量關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),陣列中的各級(jí)超模不是被等量激發(fā)的,被激發(fā)的超模系數(shù)是由輸入場(chǎng)的強(qiáng)度分布決定。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入場(chǎng)在各個(gè)波導(dǎo)內(nèi)的不同強(qiáng)度,來(lái)定量控制陣列中被激發(fā)超模的系數(shù)。有限金屬波導(dǎo)陣列中的場(chǎng)強(qiáng)分布可以認(rèn)為是被激發(fā)的超模的疊加。根據(jù)表面等離子體的超模理論,在由13個(gè)波導(dǎo)組成的有限金屬波導(dǎo)陣列中,通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)輸入場(chǎng)的不同強(qiáng)度,可以只激發(fā)第一級(jí)超模和最高級(jí)超模,這兩個(gè)超模疊加后在傳輸方向上形成離散talbot效應(yīng)。用表面等離子體超模理論還解釋了無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列里的talbot效應(yīng)。我們進(jìn)一步驗(yàn)證了在無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列里輸入場(chǎng)的周期性條件,發(fā)現(xiàn)無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列里的離散talbot效應(yīng)與傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列不同:在傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列里輸入場(chǎng)的周期條件為p=1,2,3,4和6,而在無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列中輸入場(chǎng)的周期條件為p=1,2,3,4和5。(4)研究了有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的選擇性激發(fā),建立了選擇性激發(fā)表面等離子體超模的理論方程,可以選擇激發(fā)金屬波導(dǎo)陣列中任意一級(jí)的超模。只需要將要激發(fā)的第幾級(jí)(或多個(gè))超模,代入方程計(jì)算,再根據(jù)計(jì)算出的場(chǎng)幅值來(lái)定量設(shè)置輸入場(chǎng)的強(qiáng)度,進(jìn)而激發(fā)出所需要的超模。由于激發(fā)出的不同超模疊加后會(huì)形成不同的場(chǎng)分布,因此可以選擇激發(fā)金屬波導(dǎo)陣列里兩個(gè)偶模,形成兩個(gè)偶模的疊加場(chǎng)。根據(jù)兩個(gè)偶模疊加場(chǎng)的分布特點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種基于金屬波導(dǎo)陣列的功率分束器。
【關(guān)鍵詞】：金屬波導(dǎo)陣列 表面等離子體激元 超模 離散衍射 亞波長(zhǎng)聚焦 離散Talbot效應(yīng) 時(shí)域有限差分法
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O53;TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-47
• 1.1 引言12
• 1.2 表面等離子體激元的研究背景12-13
• 1.3 表面等離子體激元的基本理論和激發(fā)方式13-23
• 1.3.1 消逝波13-15
• 1.3.2 表面等離子體激元的色散關(guān)系15-19
• 1.3.3 表面等離子體激元的激發(fā)方式19-23
• 1.4 金屬波導(dǎo)陣列的研究進(jìn)展23-27
• 1.5 時(shí)域有限差分方法27-36
• 1.5.1 時(shí)域有限差分的基本原理27-34
• 1.5.2 時(shí)域有限差分方法的邊界條件34-35
• 1.5.3 數(shù)值穩(wěn)定性分析35-36
• 1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容36-38
• 參考文獻(xiàn)38-47
• 第二章 有限金屬波導(dǎo)陣列的離散衍射47-70
• 2.1 引言47-52
• 2.1.1 介質(zhì)波導(dǎo)陣列中的離散衍射47-51
• 2.1.2 介質(zhì)波導(dǎo)陣列的超模理論51-52
• 2.2 有限金屬波導(dǎo)陣列的離散衍射52-59
• 2.2.1 有限金屬波導(dǎo)陣列與無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列中離散衍射的區(qū)別52-53
• 2.2.2 金屬波導(dǎo)陣列中的超模理論53-55
• 2.2.3 有限金屬波導(dǎo)陣列中離散衍射的理論分析和模擬驗(yàn)證55-59
• 2.3 有限金屬波導(dǎo)陣列的非對(duì)稱性激發(fā)59-66
• 2.3.1 含三個(gè)波導(dǎo)的金屬波導(dǎo)陣列的非對(duì)稱性激發(fā)59-61
• 2.3.2 含四個(gè)波導(dǎo)的金屬波導(dǎo)陣列的非對(duì)稱性激發(fā)61-63
• 2.3.3 含五個(gè)波導(dǎo)的金屬波導(dǎo)陣列的非對(duì)稱性激發(fā)63-66
• 2.4 本章小結(jié)66-68
• 參考文獻(xiàn)68-70
• 第三章 金屬波導(dǎo)陣列的遮蓋式深亞波長(zhǎng)聚焦70-84
• 3.1 引言70
• 3.2 金屬波導(dǎo)陣列的遮蓋式深亞波長(zhǎng)聚焦70-81
• 3.2.1 遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)和聚焦現(xiàn)象70-73
• 3.2.2 遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列的超模理論分析73-77
• 3.2.3 能量損失分析77-79
• 3.2.4 遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列的推廣79-81
• 3.3 本章小結(jié)81-82
• 參考文獻(xiàn)82-84
• 第四章 離散等離子體Talbot效應(yīng)和超模的選擇性激發(fā)84-104
• 4.1 引言84-87
• 4.1.1 連續(xù)等離子體Talbot效應(yīng)84-86
• 4.1.2 離散等離子體Talbot效應(yīng)86-87
• 4.2 有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散等離子體Talbot效應(yīng)87-92
• 4.2.1 無(wú)限金屬陣列與有限金屬陣列的Talbot效應(yīng)區(qū)別87-88
• 4.2.2 有限金屬波導(dǎo)陣列內(nèi)異常干涉圖案的超模理論解釋88-91
• 4.2.3 有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散Talbot效應(yīng)91-92
• 4.3 無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列中的Talbot效應(yīng)92-95
• 4.3.1 無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列中Talbot效應(yīng)的超模理論解釋92-94
• 4.3.2 無(wú)限金屬波導(dǎo)陣列產(chǎn)生Talbot效應(yīng)的輸入場(chǎng)的周期條件94-95
• 4.4 有限金屬波導(dǎo)陣列中表面等離子體超模的選擇性激發(fā)95-100
• 4.4.1 單個(gè)超模的選擇性激發(fā)95-98
• 4.4.2 兩個(gè)超模的同時(shí)激發(fā)98-100
• 4.4.3 基于金屬波導(dǎo)陣列的功率分束器設(shè)計(jì)100
• 4.5 本章小結(jié)100-102
• 參考文獻(xiàn)102-104
• 第五章 全文總結(jié)104-106
• 博士研究生階段發(fā)表的論文106-107
• 致謝107

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本文編號(hào)：541282