表面等离子体激元在周期结构中的能带及传播性质

论文摘要

表面等离子激元（SPP），由于它具有低维度、高强度与亚波长三大特性，很多理论研究与实际应用正在展开，形成所谓的“等离子学”（plasmonics）。试图阐述与发现了表面等离子激元在平整或起伏表面上传播的基本物理与可能价值，是这一领域的中心，本论文也围绕这一中心展开，具体内容安排如下：第一章概述了表面等离子激元的基本性质。包括它的色散关系、电磁场的空间分布和传播长度。主要有两种方法激发表面等离子激元：电子束和光激发。然后介绍当今等离子体学的一个引子——亚波长小孔阵列下的超强透射。我们正是从“超强透射”得到启发，引入介质周期结构的。在第二章中，主要对本文最常用的计算方法：时域有限差分法（FDTD）和传输矩阵法作了介绍。我们研究组以传输矩阵法为基础，做了很多延伸，文中也整理了一些思路并给出部分推导。第三章中，我们先从金属膜上的表面等离子激元色散关系开始，围绕一维金属—介质多层膜展开。在理论研究中很偶然地发现在金属-介质界面也存在布儒斯特角，而这个布儒斯特角居然可以导致红外波段的高透射。制作高性能的偏振器，是这一特性的简单应用。第四章是主体。我们提出在金属表面或者金属膜上引入周期性介质结构，来调制表面等离子体激元的色散关系和传播行为。首先从金属膜上引入对称的周期介质覆盖层开始，讨论了其中发生的超强透射现象。然后详细的研究了该结构中的能带和介质结构的依赖关系，采用了有效介质模型和等效光子晶体模型。波导模也能在这种结构中观察到，并能导致增强吸收和透射。外界电磁波激发表面等离子体激元的在时域上发生的过程，被发现有两个步骤。我们进一步讨论了表面等离子体激元在一维结构正入射时的反射性质，以及完全带隙的构造，和初步的实验结果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 简介
• 1.1 等离子体及表面等离子体激元
• 1.2 光子与电子激发
• 1.3 亚波长超强透射
• 参考文献
• 第二章 计算方法提要
• 2.1 时域有限差分法
• 2.2 倒空间传输矩阵法
• 参考文献
• 第三章 多层膜上的表面等离子体激元
• 3.1 金属薄膜上的表面等离子激元
• 3.2 一种偏振器的构想
• 3.3 金属界面的布儒斯特角
• 3.4 金属界面的布儒斯特角的推导
• 参考文献
• 第四章 周期性介质覆层的引入
• 4.1 金属及介质周期性结构对光辐射的调制
• 4.2 纯粹的超强透射
• 4.3 波导共振与能带
• 4.4 辐射角度调制与完全带隙
• 4.5 一些基于小球的实验
• 参考文献
• 结语
• 博士期间发表的文章
• 致谢