金属波导中等离子体诱导吸收及应用的研究

摘要

表面等离激元（SPPs）作为一种非常特别的电磁波，其特征鲜明，具有广泛的可适性。同时，表面等离激元是入射光子与金属表面自由电子相互作用形成的非辐射电磁模式。而表面等离激元其中最基本的特征参数有：波长、传播长度及穿透深度。特征参数能够集中反映表面等离激元的基本特性，因而表面等离激元的基本特性对于研究是大有裨益的，因而它是实现表面等离子体激发、应用以及对其控制时用于参考的重要参数。目前，如何实对现纳米尺寸上表面等离子体的有效调控成为该领域研究者关注的热点。而新型的谐振腔结构被广泛研究。
　　提出了一种新型基于金属-绝缘体-金属（MIM）波导的谐振腔结构，并通过完美的等离子体诱导吸收（PIA）效果的简单子系统实现，由两个矩形腔侧耦合到金属-绝缘体-金属的波导与障碍。其次通过时域有限差分（FDTD）方法来计算系统的传输特性和理论解释的三能级表面等离激元系统。本文提出并实际求证，宽带吸收窗口将被拆分为双窗口并添加一个矩形谐振腔，同时其物理机理也将被呈现。而与此相关，多开关效应也被发现。研究显示，所提出的新结构具有潜在的应用在高度集成的光电路，可以简单地制造。研究同时表明，取得完美的等离激元化致吸收在由两个矩形腔简单的子系统中可以实现。明亮的谐振器，它可以被金属-绝缘体-金属波导耦合；而暗谐振器，因为它不能被激发的金属-绝缘体-金属波导所耦合。然而，暗模式可以通过明亮的模式，通过近耦合来激发。明亮和暗模式之间的破坏性干扰在本文所提出的结构导致了完美的等离激元化致吸收效应。研究发现，原来的宽带吸收窗口可以分为双窗口添加一个矩形腔。综上考虑此金属-绝缘体-金属（MIM）波导的谐振腔结构，显然，所提出的简单结构在高集成度光路的光开关、滤波器和分光器中具有潜在的应用前景与其它谐振腔结构相比，此结构更具加简洁，功能多样化。
　　提出了一个新颖紧凑的由单个切口和一个纳米圆盘组成的等离子体波导系统。其中单切口波导直接耦合，纳米圆盘进行间接耦合。与以往进行比较，Lai等人的双纳米圆盘系统的结构，本文的结构耦合系数更高，品质因子更大。利用理论解析和数值模拟的方法探究了由单切口和纳米圆盘组成的波导系统中类电磁诱导透明光谱反应。结果表明单切口实现的直接耦合和圆盘实现的间接耦合都可引起等离子体诱导透明光谱反应。通过实现FP腔，得到较高品质因子Q的结构，并通过对其几何参数的改变，来改进结构的优越性。进而研究温度的影响来实现基于金属-介质-金属（MDM）结构等离激元诱导透明效应的温度传感器的设计。耦合模理论与F-P模型均与FDTD数值模拟吻合较好。因此本文研究认为，等离子体波导系统可能在纳米光学开关，等离子体传感器和慢光设备高度集成光学电路方面有潜在的应用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 表面等离子体激元的基本原理

1.3 等离子体诱导透明的基本理论

1.4 本文的研究内容

第2章 数值模拟理论计算方法

2.1 引言

2.2 理论研究方法

2.3数值模拟方法FDTD

2.4麦克斯韦方程的FDTD形式

2.5 Drude模型

2.6数值色散与完美匹配层

2.7 本章小结

第3章 完全等离激元吸收与其在简单表面等离激元系统多开关中的应用

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 结果讨论与分析

3.4 本章小结

第4章 基于金属-介质-金属结构等离激元诱导透明效应的温度传感器

4.1 引言

4.2 结构和模型

4.3 结果讨论与分析

4.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参加的科研项目