亚波长结构金属薄膜中光的异常传输现象及应用

论文摘要

亚波长结构金属薄膜中光的异常传输效应的发现为在金属薄膜中控制光子的运动提供了有力的工具,其机理和应用的研究是目前国际上研究工作的一个热点。本文对周期和准周期结构金属薄膜中异常传输效应的机理和应用进行了深入研究,具体内容如下:运用耦合波理论解释了亚波长周期性结构金属膜中异常传输效应的物理机理,理论清晰证明了异常传输现象的产生机制源于金属孔辅助下的入射光与表面波的瞬衰场的耦合,金属薄膜中的小孔对异常传输现象的产生提供了关键的耦合条件,而周期性结构为传输增强提供了位相匹配条件。耦合波理论不仅较为简单,且物理意义清晰。对准周期结构金属薄膜的异常传输现象进行了研究,详尽研究了Fibonacci小孔链的异常传输谱。由于Fibonacci结构中的多相位匹配机制,异常传输谱具有多重分形结构。计算了随Fibonacci序列长度而变化的标度因子,并用FDTD模拟证实了表面等离子模场的局域性。研究表明可以用异常传输谱的性质来预测表面等离子波的模场分布,这对于准周期结构金属薄膜在新型纳米表面等离子体器件的开发应用具有较大作用。本论文还探讨了具有亚波长结构的金属薄膜中异常传输现象的应用。根据周期结构金属薄膜异常传输现象的波长选择性,提出了一种新型的彩色滤波器的设计构想,并探讨了其优化设计方案。这种滤波器特别适用于OLED的彩色显示,它不仅具有结构紧凑的优点,还可以作为OLED的电极,同时其所具有的异常传输效应可以提高OLED的光能抽取率。用傅里叶分析方法研究了具有取样周期结构的金属薄膜的异常传输现象,并探索了其应用。分析了这种结构的多峰异常传输性质,以及结构参数对传输谱的影响。利用此性质可以研制结构紧凑的滤波器,在多波长光谱分析和多波长发光器件上可以有较大应用前景。基于这种结构,还设计开发了双波长滤波器,它具有同时增强荧光发射强度和提高信号光抽取率的作用,并适宜于小型化,适合在芯片上集成,以及大规模生产,特别适用于微全分析系统的双波长荧光测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 亚波长结构金属纳米薄膜中光的异常传输现象概述
• 1.2 单个小孔
• 1.3 周围具有周期性褶皱的单个小孔
• 1.4 小孔阵列
• 1.5 应用前景
• 1.6 本文内容简介
• 第二章 表面等离子波
• 2.1 引言
• 2.2 表面等离子激元的基本性质及其激发方式
• 2.2.1 表面等离子波的特性
• 2.2.2 表面等离子体波的激发
• 2.2.3 表面等离子波的传播
• 2.3 表面等离子波的电磁场理论
• 2.3.1 表面等离子波的麦克斯韦方程
• 2.3.2 转移矩阵理论和金属薄膜结构中表面等离子波的有效折射率[45]
• 2.4 人造表面等离子体
• 2.5 本章小结
• 第三章 异常光传输效应的理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 异常传输的理论研究方法
• 3.2.1 时域有限差分法（FDTD）
• 3.2.2 严格耦合波方法（RCWA）
• 3.2.3 波导模式展开法
• 3.3 经典的耦合波理论
• 3.3.1 耦合波一般理论
• 3.3.2 周期性波导
• 3.3.3 光栅耦合器中的能量传递
• 3.4 异常光传输现象中的能量耦合过程
• 3.5 小孔的高阶散射与异常光传输峰的强度
• 3.6 本章小结
• 第四章 亚波长准周期结构金属薄膜的异常传输效应和模场局域化
• 4.1 引言
• 4.2 分形理论和重整化群
• 4.3 周期性和Fibonacci 小孔链的异常传输谱
• 4.4 表面等离子波在准周期结构中的传输矩阵模型和重整化群
• 4.5 准周期结构异常传输谱的多重分形和表面等离子波的局域化
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于光异常传输现象的彩色滤光器
• 5.1 引言
• 5.2 新型彩色滤波器的设计及原理
• 5.3 彩色滤波器的优化及分辩率
• 5.4 本章小结
• 第六章 亚波长取样周期结构金属薄膜多波长异常传输及应用
• 6.1 引言
• 6.2 亚波长取样周期结构金属薄膜多重位相匹配机制和多波长异常传输性质
• 6.3 新型光学滤波器的设计及优化
• 6.4 用于微全分析系统双波长荧光谱的滤波器
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要研究内容和结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢