基于纳米球与带状波导表面等离子体结构设计研究

论文摘要

表面等离子体(surface plasmons, SPs)是自由电子在介质分界面处振动的集群效应。随着纳米光子学和微加工技术的发展，国内外的专家学者对研究SPs效应产生浓厚的兴趣。在SPs的产生机理中发现：只有在较高共振频率与较低碰撞频率的贵金属(金、银或铝)中，同时采用特定结构实现入射光波与SPs的波矢匹配，使光波能量与自由电子能量进行耦合传递，增加自由电子的集体动量，才能产生SPs现象。由于SPs现象大多在贵金属中产生，并且金属的光学特性与自由电子联系紧密，因此研究金属的光学特性就是研究金属中自由电子与光波交互产生的电磁场以及散射、吸收、反射等现象。所以本文先从SPs的光学特性入手，分析对比了等离子体与SPs的差异，并重点分析了金属内部与表面的光学特性，探讨了金属对于入射波的吸收与散射性质，采用麦克斯韦方程结合速率方程，建立电子Drude模型，推导出金属自由电子的共振频率、介电系数及品质因素等参数。由于SPs具有近场增强的局域特性，因此本文首先建立金纳米球系统，利用有限时域差分法(FDTD)进行模拟局域场的分布，并得到入射角度的改变引起局域特性改变的频谱图。其次将该局域特性延伸到半无界嵌入有光栅的带状波导表面等离子体系统中，并在带状波导表层镀有金薄膜来产生SPs。该系统主要研究光栅耦合作用下激发的SPs现象，模拟仿真电子集体振动现象，得出在金薄膜边缘的SPs振动较为强烈，传播距离达到微米级别，并通过改变金属薄膜厚度以及入射角度，验证了透射率与透射光效率改变的规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题意义
• 1.3 研究背景
• 1.4 表面等离子体光学特性
• 1.5 表面等离子体发展概况
• 1.6 表面等离子体制作应用及存在的问题
• 1.7 本文的主要研究内容
• 第2章 表面等离子体特性的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 等离子体的概念与特性
• 2.2.1 等离子体的概念
• 2.2.2 等离子体的基本特性
• 2.3 等离子体与表面等离子体的对比与分析
• 2.4 金属材料的光学反应特性
• 2.5 表面等离子体共振特性分析
• 2.6 纳米局域化的表面等离子体特性分析
• 2.7 小结
• 第3章 金属薄板等离子特性理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 三种常用结构实现 SPS 的比较与分析
• 3.3 激发表面等离子体的 TE 模式与 TM 模式的分析
• 3.4 金属体积内的自由电子特性分析
• 3.5 介电物质与金属界面的表面等离子模态分析
• 3.6 小结
• 第4章 纳米球与带状波导表面等离子体仿真与分析
• 4.1 引言
• 4.2 时域有限差分法介绍
• 4.2.1 时域有限差分法（FDTD）基本原理
• 4.2.2 稳定性分析
• 4.2.3 吸收边界条件
• 4.3 三种简单结构测试分析
• 4.3.1 金属薄板结构测试分析
• 4.3.2 金属纳米球结构测试分析
• 4.3.3 带状表面等离子体理论模型
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介