基于二维金属波导结构的光学超衍射极限研究

摘要

表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）的传播常数大于自由空间中光的传播常数，并且具有超强的光场局域特性，其在光学超衍射极限研究领域吸引了众多研究组的兴趣。基于金属波导结构的超透镜能够实现超衍射极限成像，多层金属波导结构中可以对光进行超衍射极限尺度上的操控，同时金属波导中的SPPs能够形成超衍射极限的干涉。相对于其他SPPs结构而言，金属波导结构更简单，更适合应用于大规模的生产。本文结合SPPs理论与有限元算法，研究了基于二维SPPs金属波导结构的光学超衍射极限现象。本文主要研究内容及成果概括如下：
　　利用SPPs波导理论研究了基于单层金属波导的超透镜超衍射极限成像，并提出一种抑制成像畸变的方法。我们利用SPPs波导理论分析了分辨率、成像畸变与SPPs模式之间的关系。研究发现损耗大的SPPs模式能够抑制成像畸变，有效提高成像质量。我们提出通过增加近场超透镜周围介质折射率，增强了SPPs模式的损耗，从而达到提高分辨率、抑制成像畸变的目的。利用有限元算法的数值仿真结果证明了该方法的可行性。最后我们分析了“折射率匹配条件”的不足。
　　我们将量子力学中的宇称-时间对称势概念引入到基于多层金属波导的超透镜中，实现了对其中SPPs模式的调控，进而达到抑制超衍射极限成像畸变的目的。宇称-时间对称势通过电介质层折射率的调制而实现。我们利用光学传输矩阵方法计算了具有不同宇称-时间对称势的超透镜中SPPs模式的本征谱。结果显示增加宇称-时间对称势将使SPPs模式的实数本征谱收缩，复数本征谱拓宽且SPPs模式的损耗增大。利用有限元算法的数值仿真结果表明，增加宇称-时间对称势，能够有效抑制超衍射极限成像结果中的副峰、旁瓣等畸变现象，提高成像质量。
　　将多层金属波导结构视为整体时，其具有各向异性的等效介电常数。根据等效介质理论，我们研究了多层金属波导结构的超衍射极限能力与其中结构、材料参数、入射光波长之间的关系。只有多层金属波导结构的等效介电常数满足双曲线型色散关系时，才具有超衍射极限的能力。我们利用等效介质理论研究了光在多层金属波导结构中的超衍射极限聚焦现象。研究结果显示，在两种不同的双曲线型色散关系的多层金属波导中，超衍射极限聚焦表现出相反的色差特性。我们通过有限元算法的数值仿真证明了理论分析结果的正确性。结果表明，多层金属波导结构具有将两种波长的入射光聚焦于同一位置的能力。
　　多层金属波导结构中SPPs模式的激发和电磁场之间的强耦合，使其具有在超衍射极限尺度实现光调控的能力。我们从耦合波方程出发，研究了多层金属波导阵列中的超衍射极限聚焦现象。利用耦合波方程的解析式推导了多层金属波导阵列中电磁场耦合系数和传输角度与入射光波长之间的关系式。理论公式表明，光在多层金属波导阵列中的超衍射极限聚焦焦距随着波长增加而变大，与传统抛物线型微纳透镜具有相反的色差特性。有限元算法得到的数值仿真结果与耦合波方程得到的结果一致。
　　金属波导结构中的SPPs模式能够产生超衍射极限的干涉条纹。我们利用周期金属光栅结构激发三种不同的金属波导中的SPPs，实现了超衍射极限干涉。为了提高金属波导中SPPs超衍射极限干涉场的强度和分布均匀度，我们研究了金属光栅狭缝结构的宽度和深度对金属波导中干涉场的影响。针对两种简单的金属波导中超衍射极限干涉，我们利用有限元算法进行数值仿真，结果显示通过调制金属光栅狭缝的宽度和深度可以实现对金属波导中干涉场质量的优化。利用SPPs理论进行分析发现，当金属光栅狭缝的宽度和深度满足SPPs腔共振时，光栅下的金属波导中的超衍射极限干涉场强度增大且分布均匀度得到优化。这种方法能够改进基于SPPs金属波导的超衍射极限干涉光刻技术。

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第1章 绪论

1.1 超衍射极限现象及相关技术

1.2 表面等离子体激元的局域特性

1.3 基于表面等离子体激元结构的超衍射极限研究进展

1.4 表面等离子体激元结构超衍射极限现象的研究方法

1.5 存在的问题和研究内容

第2章 超透镜成像理论

2.1 引言

2.2 超透镜的光学传递函数和金属波导理论

2.3 超透镜的超衍射极限成像

2.4 超透镜结构周围介质对成像的影响

2.5 本章小结

第3章 宇称-时间对称的超透镜

3.1 引言

3.2 光学中的宇称-时间对称性

3.3 宇称-时间对称的多层金属-电介质结构中的折射现象

3.4 宇称-时间对称的超透镜

3.5 本章小结

第4章 多层金属-电介质结构中超衍射极限聚焦的色差现象

4.1 引言

4.2 等效介质理论和超衍射极限

4.3 多层金属波导中的超衍射极限聚焦

4.4 本章小结

第5章 金属波导阵列中超衍射极限聚焦的反常色差现象

5.1 引言

5.2 周期金属纳米波导阵列

5.3 光在金属纳米波导阵列中超衍射极限聚焦现象

5.4 本章小结

第6章 金属光栅衍射在金属波导结构中产生超衍射极限干涉

6.1 引言

6.2 金属光栅衍射与超衍射极限

6.3 光栅狭缝腔共振提高金属波导中超衍射极限干涉条纹质量

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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