本文關(guān)鍵詞：基于二維金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超衍射極限研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的傳播常數(shù)大于自由空間中光的傳播常數(shù),并且具有超強(qiáng)的光場(chǎng)局域特性,其在光學(xué)超衍射極限研究領(lǐng)域吸引了眾多研究組的興趣�；诮饘俨▽�(dǎo)結(jié)構(gòu)的超透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)超衍射極限成像,多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中可以對(duì)光進(jìn)行超衍射極限尺度上的操控,同時(shí)金屬波導(dǎo)中的SPPs能夠形成超衍射極限的干涉。相對(duì)于其他SPPs結(jié)構(gòu)而言,金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,更適合應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)。本文結(jié)合SPPs理論與有限元算法,研究了基于二維SPPs金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超衍射極限現(xiàn)象。本文主要研究?jī)?nèi)容及成果概括如下:利用SPPs波導(dǎo)理論研究了基于單層金屬波導(dǎo)的超透鏡超衍射極限成像,并提出一種抑制成像畸變的方法。我們利用SPPs波導(dǎo)理論分析了分辨率、成像畸變與SPPs模式之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)損耗大的SPPs模式能夠抑制成像畸變,有效提高成像質(zhì)量。我們提出通過(guò)增加近場(chǎng)超透鏡周圍介質(zhì)折射率,增強(qiáng)了SPPs模式的損耗,從而達(dá)到提高分辨率、抑制成像畸變的目的。利用有限元算法的數(shù)值仿真結(jié)果證明了該方法的可行性。最后我們分析了“折射率匹配條件”的不足。我們將量子力學(xué)中的宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)概念引入到基于多層金屬波導(dǎo)的超透鏡中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)其中SPPs模式的調(diào)控,進(jìn)而達(dá)到抑制超衍射極限成像畸變的目的。宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)通過(guò)電介質(zhì)層折射率的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)。我們利用光學(xué)傳輸矩陣方法計(jì)算了具有不同宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)的超透鏡中SPPs模式的本征譜。結(jié)果顯示增加宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)將使SPPs模式的實(shí)數(shù)本征譜收縮,復(fù)數(shù)本征譜拓寬且SPPs模式的損耗增大。利用有限元算法的數(shù)值仿真結(jié)果表明,增加宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì),能夠有效抑制超衍射極限成像結(jié)果中的副峰、旁瓣等畸變現(xiàn)象,提高成像質(zhì)量。將多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)視為整體時(shí),其具有各向異性的等效介電常數(shù)。根據(jù)等效介質(zhì)理論,我們研究了多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的超衍射極限能力與其中結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。只有多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)滿足雙曲線型色散關(guān)系時(shí),才具有超衍射極限的能力。我們利用等效介質(zhì)理論研究了光在多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的超衍射極限聚焦現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示,在兩種不同的雙曲線型色散關(guān)系的多層金屬波導(dǎo)中,超衍射極限聚焦表現(xiàn)出相反的色差特性。我們通過(guò)有限元算法的數(shù)值仿真證明了理論分析結(jié)果的正確性。結(jié)果表明,多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有將兩種波長(zhǎng)的入射光聚焦于同一位置的能力。多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中SPPs模式的激發(fā)和電磁場(chǎng)之間的強(qiáng)耦合,使其具有在超衍射極限尺度實(shí)現(xiàn)光調(diào)控的能力。我們從耦合波方程出發(fā),研究了多層金屬波導(dǎo)陣列中的超衍射極限聚焦現(xiàn)象。利用耦合波方程的解析式推導(dǎo)了多層金屬波導(dǎo)陣列中電磁場(chǎng)耦合系數(shù)和傳輸角度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系式。理論公式表明,光在多層金屬波導(dǎo)陣列中的超衍射極限聚焦焦距隨著波長(zhǎng)增加而變大,與傳統(tǒng)拋物線型微納透鏡具有相反的色差特性。有限元算法得到的數(shù)值仿真結(jié)果與耦合波方程得到的結(jié)果一致。金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的SPPs模式能夠產(chǎn)生超衍射極限的干涉條紋。我們利用周期金屬光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)三種不同的金屬波導(dǎo)中的SPPs,實(shí)現(xiàn)了超衍射極限干涉。為了提高金屬波導(dǎo)中SPPs超衍射極限干涉場(chǎng)的強(qiáng)度和分布均勻度,我們研究了金屬光柵狹縫結(jié)構(gòu)的寬度和深度對(duì)金屬波導(dǎo)中干涉場(chǎng)的影響。針對(duì)兩種簡(jiǎn)單的金屬波導(dǎo)中超衍射極限干涉,我們利用有限元算法進(jìn)行數(shù)值仿真,結(jié)果顯示通過(guò)調(diào)制金屬光柵狹縫的寬度和深度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬波導(dǎo)中干涉場(chǎng)質(zhì)量的優(yōu)化。利用SPPs理論進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)金屬光柵狹縫的寬度和深度滿足SPPs腔共振時(shí),光柵下的金屬波導(dǎo)中的超衍射極限干涉場(chǎng)強(qiáng)度增大且分布均勻度得到優(yōu)化。這種方法能夠改進(jìn)基于SPPs金屬波導(dǎo)的超衍射極限干涉光刻技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】：表面等離子體激元 表面等離子體激元波導(dǎo) 超透鏡 超材料 超衍射極限
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN252;O436.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-30
• 1.1 超衍射極限現(xiàn)象及相關(guān)技術(shù)15-16
• 1.2 表面等離子體激元的局域特性16-18
• 1.3 基于表面等離子體激元結(jié)構(gòu)的超衍射極限研究進(jìn)展18-24
• 1.4 表面等離子體激元結(jié)構(gòu)超衍射極限現(xiàn)象的研究方法24-26
• 1.5 存在的問(wèn)題和研究?jī)?nèi)容26-30
• 第2章 超透鏡成像理論30-41
• 2.1 引言30-31
• 2.2 超透鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)和金屬波導(dǎo)理論31-35
• 2.2.1 光學(xué)傳遞函數(shù)31-32
• 2.2.2 表面等離子體激元金屬波導(dǎo)理論32-33
• 2.2.3 光學(xué)傳遞函數(shù)與金屬波導(dǎo)理論的等價(jià)性33-35
• 2.3 超透鏡的超衍射極限成像35-37
• 2.3.1 超透鏡成像的表面等離子體激元理論35-36
• 2.3.2 超透鏡的超衍射極限成像36-37
• 2.4 超透鏡結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)對(duì)成像的影響37-40
• 2.4.1 透鏡周圍介質(zhì)折射率與分辨率的關(guān)系37-39
• 2.4.2 折射率匹配條件39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 第3章 宇稱-時(shí)間對(duì)稱的超透鏡41-53
• 3.1 引言41
• 3.2 光學(xué)中的宇稱-時(shí)間對(duì)稱性41-43
• 3.3 宇稱-時(shí)間對(duì)稱的多層金屬-電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的折射現(xiàn)象43-46
• 3.4 宇稱-時(shí)間對(duì)稱的超透鏡46-52
• 3.4.1 具有宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)的超透鏡46-48
• 3.4.2 宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)對(duì)超透鏡結(jié)構(gòu)本征譜的作用48-50
• 3.4.3 宇稱-時(shí)間對(duì)稱勢(shì)對(duì)超衍射極限成像的影響50-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 第4章 多層金屬-電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中超衍射極限聚焦的色差現(xiàn)象53-67
• 4.1 引言53-54
• 4.2 等效介質(zhì)理論和超衍射極限54-58
• 4.2.1 多層結(jié)構(gòu)的均勻化54-55
• 4.2.2 多層結(jié)構(gòu)超衍射極限的物理基礎(chǔ)55-56
• 4.2.3 多層結(jié)構(gòu)的超衍射極限成像56-58
• 4.3 多層金屬波導(dǎo)中的超衍射極限聚焦58-65
• 4.3.1 超衍射極限聚焦現(xiàn)象58-59
• 4.3.2 多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散特性59-61
• 4.3.3 多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中超衍射極限聚焦色差現(xiàn)象61-64
• 4.3.4 多層金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙波長(zhǎng)聚焦64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 第5章 金屬波導(dǎo)陣列中超衍射極限聚焦的反常色差現(xiàn)象67-80
• 5.1 引言67-68
• 5.2 周期金屬納米波導(dǎo)陣列68-71
• 5.2.1 表面等離子體激元的激發(fā)68-69
• 5.2.2 波導(dǎo)耦合69-71
• 5.3 光在金屬納米波導(dǎo)陣列中超衍射極限聚焦現(xiàn)象71-79
• 5.3.1 金屬納米波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的色散特性71-73
• 5.3.2 光在金屬納米波導(dǎo)陣列中的傳播73-76
• 5.3.3 金屬納米波導(dǎo)陣列中的超衍射極限聚焦76-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 第6章 金屬光柵衍射在金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生超衍射極限干涉80-93
• 6.1 引言80-81
• 6.2 金屬光柵衍射與超衍射極限81-86
• 6.2.1 金屬光柵表面的超衍射極限干涉82-83
• 6.2.2 金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的超衍射極限干涉83-85
• 6.2.3 金屬波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)中的超衍射極限干涉85-86
• 6.3 光柵狹縫腔共振提高金屬波導(dǎo)中超衍射極限干涉條紋質(zhì)量86-91
• 6.4 本章小結(jié)91-93
• 結(jié)論93-96
• 參考文獻(xiàn)96-106
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果106-109
• 致謝109-110
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷110

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2 劉建龍;金屬—絕緣體-金屬波導(dǎo)內(nèi)表面等離子體傳輸與控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

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  本文關(guān)鍵詞：基于二維金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超衍射極限研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：325986