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SPP的电介质光栅激发及其波导

2020-12-15阅读(922)

SPP的电介质光栅激发及其波导

论文摘要

表面等离子体激元(surface plasmon polaritons, SPPs)是指局域在金属表面的自由振荡的电子和光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电磁场模。表面等离子体的激发能够使人们利用金属等导体来实现对光传播的主动操控,通过改变金属等导体表面的(亚波长)结构,它的性质,特别是与光相互作用的特性如色散关系、激发模式、耦合效应等也会随之发生变化。目前,表面等离子体是纳米光子学的一个非常重要的研究方向,它的原理、新颖效应和其机制的探究都深深地吸引着科学家们。由于SPPs具有独特的光学特性,其应用前景非常广阔,在光存储,光激发,显微术,亚波长光学以及生物光子学等领域都得到了广泛和深入的研究应用。要准确探究表面等离子体亚波长光学原理,必须严格求解Maxwell方程组,这是因为SPPs是由外来电磁场激发导致的金属等导体中自由电荷密度涨落,产生集体振荡辐射出电磁模的形式,这就要求它必须满足电磁场的基本方程。目前,时域有限差分法(Finite Difference Time Domain method, FDTD)是一种成功的在时域上求解Maxwell方程组的数值模拟方法。本文第一章首先简单介绍了课题的研究背景及选题意义；第二章详细介绍了SPPs的基本性质和原理,包括其色散关系,特征参数以及激发模式,并阐述了SPPs的各种新颖效应和重要应用；第三章着重介绍了FDTD方法的基本思想和特点；第四章讨论金属光栅耦合结构SPPs的激发特性；第五章研究金属衬底上电介质光栅耦合结构SPPs的激发特性,考察了SPPs激发与光栅深度d的关系；第六章对论文工作进行了总结与展望。基于SPPs发展起来的表面等离子体光子学(plasmonics)包含非常广泛的研究内容。随着纳米科学的发展,以SPPs为基础的研究日益活跃,发现了许多新现象和提出许多新问题,展示了巨大的应用前景。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 课题的研究背景
  • 1.3 论文选题的目的和意义
  • 1.4 本章小结
  • 第二章 SPPs的基本理论和应用
  • 2.1 等离子体激元的产生
  • 2.2 表面等离子体激元的色散关系
  • 2.3 表面等离子体激元的特征长度
  • 2.3.1 SPPs波长
  • 2.3.2 SPPs的传递长度
  • 2.3.3 SPPs的趋肤深度
  • 2.4 表面等离子体激元的激励方式
  • 2.4.1 衰减全反射
  • 2.4.2 光栅耦合
  • 2.4.3 粗糙表面散射
  • 2.5 表面等离子体激元的研究和应用
  • 2.5.1 SPPs亚波长光学新颖效应
  • 2.5.2 SPPs的重要应用
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 数值模拟计算的理论基础
  • 3.1 引言
  • 3.2 Yee元胞网格与基本差分形式
  • 3.2.1 Yee元胞网格及其优点
  • 3.2.2 Maxwell方程在Yee网格下的差分形式
  • 3.2.3 数值稳定条件与数值色散
  • 3.3 吸收边界条件和入射波的引入
  • 3.3.1 吸收边界条件的必要性
  • 3.3.2 完全匹配层吸收边界
  • 3.3.3 引入入射波的方法
  • 3.4 三种色散介质模型的介电常数
  • 3.4.1 Drude模型
  • 3.4.2 Lorentz模型
  • 3.4.3 Lorentz-Drude模型
  • 3.5 周期结构的边界条件
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 金属光栅耦合结构SPPs的激发特性
  • 4.1 金属刻槽光栅结构
  • 4.2 用FDTD数值模拟SPPs激发特性
  • 4.3 数值模拟与理论值的比较
  • 4.4 讨论SPPs激发与光栅深度d的关系
  • 4.4.1 利用FDTD来模拟反射率曲线
  • 4.4.2 理论分析d在SPPs耦合中的作用
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 金属衬底上电介质光栅耦合结构SPPs的激发特性
  • 5.1 电介质光栅激发SPPs
  • 5.1.1 数值模拟与理论计算的比较
  • 5.1.2 光栅深度d的影响
  • 5.1.3 采用电介质光栅激发SPPs的优点
  • 5.2 FDTD模拟新型波导
  • 5.2.1 新型波导
  • 5.2.2 电介质波导
  • 5.3 需要解决的问题
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 研究成果及发表的学术论文
  • 导师简介
  • 作者简介
  • 硕土研究生举似论文答辩委员会决议书

    • 相关论文文献

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