亚波长周期结构的超强光透射及其调控的研究

论文摘要

在亚波长光学领域,按照人为意愿控制电磁波在纳米金属结构中传输是学术界和技术应用领域长期关注的一个重要问题。表面等离子激元（SPP）为人们控制光和传导光提供了一种新思路。在基于表面等离子体激元的纳米结构体系的研究中,发现了许多新现象。光照射在具有亚波长周期性孔阵列的金属薄膜上时,产生了超强光透射现象（EOT）,这是最引人注目的发现之一,这种现象的研究对亚波长光学器件的设计和实现光子回路具有理论指导意义。本论文在国内外现有研究的基础上,运用时域有限差分法（FDTD）,结合表面等离子体光子学及电磁场相关理论,研究了多种亚波长金属结构的超强光透射现象,引入了更多的结构因子,发现了新的物理现象,丰富了亚波长光学结构的调节手段,分析了其物理机制,并探索了可能产生的新应用。论文内容主要包括以下几个方面：一、研究了双层长方形孔阵列的EOT,将这种特性归结于表面等离子体共振和局域波导共振共同作用的结果。详细分析了双层狭缝阵列的层间距离、狭缝宽度、侧向位移等结构参数在两层狭缝阵列宽度相同或不同,同轴或不同轴以及间距为零或非零等情况下对EOT的影响,发现两种模式的透射共振峰随着这些参数的改变,在不同情况下的变化方式不尽相同,且分别出现了红移、蓝移、分裂、合并、升高、降低以及峰的半高宽变宽和变窄等现象。研究结果表明,双层亚波长金属周期结构相对于单层结构具有更好的滤波特性,且其透射共振模可以从更多方面进行调控。这为新型亚波长光子器件的设计提供了理论依据。二、分析了亚波长金属狭缝阵列跟非线性介质组成的复合结构的EOT,分别模拟了在周期性亚波长金属薄膜的狭缝内填充非线性介质以及将金属狭缝阵列镶嵌在非线性介质中两种情况下,入射光强度、狭缝中所填非线性介质厚度、三阶磁导率以及镶嵌在非线性介质中的金属薄膜的厚度和镶嵌深度等结构参数对透射共振峰的调控,发现了透射峰中心波长和峰值大小灵敏的依赖于这些因素的改变,出现了峰中心波长移动、峰值跳变以及新透射共振模出现等有趣的现象,这些研究结果为理解光与非线性介质复合金属周期结构的相互作用提供了新认识。三、探讨了在狭缝内引入收敛-发散、发散-收敛、只有收敛以及Z字形通道结构时亚波长金属周期狭缝阵列或狭缝-凹槽阵列的EOT,发现随着狭缝的非直通道内结构的形状、尺寸以及通道内结构单元的个数等几何因子的改变,两种模式的共振峰均出现了红移、蓝移、分裂、合并、增强和衰减等现象,特别地,研究结果表明,在狭缝中心线长度相同时,较薄金属薄膜上的Z字形狭缝阵列跟较厚金属薄膜上的直通道狭缝阵列的透射特性基本一样,这对光子器件小型化有参考价值。在通道内引入结构因子增加了对透射共振模式的调控方式。四、设计了一种新型的连续的金属周期结构模型,即平行接触排列的金纳米圆柱阵列及其与金属薄膜的组合结构。验证了光不能直接穿过的连续的金属周期结构也能产生EOT,发现纳米柱子的半径、层数、柱子阵列周围电介质的介电常数、金属薄膜的厚度、以及金属薄膜与金属柱子阵列的距离等结构因素对该亚波长结构的透射谱、反射谱和吸收谱等都有显著的调制作用,并出现透射共振峰的分裂、移动以及衰减退化等新现象,这些现象跟结构的表面等离子体共振隧穿有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面等离子体激元的性质
• 1.2.1 表面等离子体激元的色散关系
• 1.2.2 表面等离子体激元的激发
• 1.2.3 金属介质的色散性质
• 1.3 亚波长金属周期结构的超强光透射现象及机理
• 1.3.1 超强光透射
• 1.3.2 超强光透射的机理
• 1.4 纳米光子器件的设计与应用
• 1.5 本论文的研究背景与意义
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第二章 数值模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 麦克斯韦方程组及其时域有限差分形式
• 2.2.1 麦克斯韦方程组和Yee元胞
• 2.2.2 直角坐标中的三维时域有限差分
• 2.2.3 直角坐标中的二维时域有限差分
• 2.3 数值稳定性
• 2.3.1 时间离散间隔的稳定性要求
• 2.3.2 Courant稳定性条件
• 2.3.3 数值色散
• 2.3.4 理想匹配层吸收边界条件
• 2.3.5 周期性边界条件
• 第三章 双层亚波长周期结构的超强光透射
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 透射共振模式
• 3.3.2 结构参数的调控作用
• 3.4 本章小结
• 第四章 非线性介质复合亚波长周期结构的超强光透射
• 4.1 引言
• 4.2 理论方法
• 4.3 狭缝内填充非线性介质的金属周期结构
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 镶嵌在非线性介质中的金属周期结构
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 非直通道亚波长周期结构的超强光透射
• 5.1 引言
• 5.2 收敛和发散形通道的狭缝阵列
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 收敛和发散形通道的狭缝-凹槽阵列
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.4 Z字形通道的狭缝阵列
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 接触排列亚波长圆柱-薄膜结构的超强光透射
• 6.1 引言
• 6.2 亚波长金属圆柱阵列
• 6.2.1 计算模型
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.3 亚波长金属圆柱-薄膜结构
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要研究成果