表面等离激元波导的传输特性及微纳结构光的异常透射特性研究

【摘要】表面等离极化激元(surfaceplasmonpolaritons,SPPs)是微纳结构金属表面的自由电子与光子的相互耦合产生的一种沿着金属／介质之间的界面传播的电磁波。SPPs突破了传统光学的衍射极限,为微纳结构光子学器件的集成提供了可能。因此,有关SPPs光子器件的设计及其应用是目前国际上非常前沿的研究方向。本论文主要采用有限元方法(FEM)和时域有限差分方法(FDTD),研究了表面等离极化激元波导的传输特性及亚波长尺度金属圆孔阵列光的异常透射特性,并研究了形貌参数对表面等离极化激元波导及圆孔阵列透射特性的影响。本论文主要研究工作如下：1、基于表面等离极化激元的金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)波导结构具有较好的模场限制、能量损耗较小、传输距离长等优点,本文设计了一种基于表面等离极化激元MIM波导的L形谐振腔结构并研究了其传输特性。数值计算结果表明,在透射光谱中出现了明显的阻带,其滤波特性严重地依赖于L形谐振腔的尺寸。因为SPPs共振对L形谐振腔内折射率的变化很敏感,所以被广泛应用于传感器方面。此外,本文在波导的两侧分别放置尺度不同的L形谐振腔。研究发现,放置两个不同尺度的L形谐振腔的波导结构,可起到多滤波的效果。2、本文设计了基于金属-介质-金属表面等离极化激元波导的内嵌十字形金属结构的圆形谐振腔,并研究该结构的透射特性。该结构由两个一端封闭的MIM波导、一个半径为R的圆形谐振腔和一个十字形金属结构组成,十字形金属结构的中心与圆形谐振腔的中心重合。数值计算结果表明,旋转后的十字形结构破坏了圆形空腔的共振模式,从而显现出新颖的滤波特性。内嵌十字形金属结构圆形谐振腔的滤波特性依赖于十字形结构的旋转角度,相对于θ=0°的内嵌十字形结构,当十字形结构旋转到某一特定角度时,透射光谱中仅有一个透射峰。此外,内嵌十字形结构圆形谐振腔的滤波特性还强烈地依赖于十字形结构的尺寸。这些结果有助于设计复合结构滤波器,满足特定的滤波需要。3、复合型波导具有束缚性强、传播距离长等优点。本文研究了金属纳米线对复合型波导传播特性的影响。该结构是将金属纳米线平行地放置于无限长的金属纳米线波导附近。数值计算结果表明,因在耦合区域内形成表面等离极化激元共振,传播特性强烈地依赖于金属纳米线的长度。此外,还研究了金属纳米线半径、介质衬底折射率、以及间距对传播特性的影响。这些结果为复合型波导结构的应用提供一定的理论基础。4、基于非共振原理的光异常透射现象可以实现宽频带透射,对宽频带光收集与激发具有重要意义。本文设计了亚波长金属圆孔阵列实现宽频透射。该结构将金属薄膜置于石英玻璃衬底上,周期性的圆孔镶嵌在金属薄膜中。应用有限元方法研究了该结构的透射特性。数值计算结果表明,金属圆孔阵列可实现宽频透射。此外,本文还研究了入射光偏振方向、圆孔半径、横向周期以及金属薄膜的厚度对金属圆孔阵列透射特性的影响。这些结果对设计非共振宽频透射的金属孔洞结构具有一定的指导意义。
【作者】庞绍芳；
【导师】屈世显；
【作者基本信息】陕西师范大学，声学，2014，博士
【关键词】表面等离极化激元；时域有限差分方法；有限元方法；波导；滤波器光学异常透射；

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