亚波长金属光栅与等离子波导的光传输特性研究

摘要

表面等离子激元是局域在金属表面的自由电子和外部光子相互作用而形成的一种电磁表面波。近年来，亚波长金属结构中表面等离子激元的物理特性研究已逐渐成为纳米光学前沿领域的研究热点之一。本文基于自主开发的适用于计算含金属色散介质的时域有限差分程序，在可见光和近红外线波段，研究了几种亚波长金属光栅(周期性结构)的光传输特性和耦合表面等离子激元模在一种含环形谐振腔的等离子波导(非周期性结构)的传输属性，理论分析了表面等离子激元在这些结构中激发和传播的规律。
　　本文的主要研究内容和结论如下：
　　(1)提出一种由金属-介质交替排列组成的新型多层膜光栅结构，其中每个金属层和介质层实际上都是具有相同光栅周期和缝宽度的亚波长空气缝阵列，相邻的金属-介质-金属三层膜可看成是一个复合单元功能层。在可见光和近红外线波段，研究了这种周期性亚波长缝阵列金属-介质多层膜光栅结构的光传输响应。结果表明，这种多层膜结构的光传输属性被两个因素所共同调节：一个是介质层中横向的耦合的表面等离子激元波导模之间的干涉，另一个是光栅狭缝中纵向的类Fabry-Pérot波导共振条件。当合理设置一些几何参数时，随着功能层数的增加，光的透射峰能够劈裂成更多的峰。此外，同一级的透射峰的波长位置会随着光栅周期的增加而向长波方向移动，随着狭缝宽度或者介质层厚的增加而向短波方向移动。
　　(2)提出了一种新型周期性亚波长双缝阵列(在每个光栅周期内含有两个宽度相同但填充介质不同的亚波长金属缝)复合金属光栅，在可见光和近红外线波段研究了这种复合金属光栅的传输共振特性。结果显示，这种复合金属光栅的透射谱除了在某一特定波长外几乎是相应的两种简单金属光栅透射谱的复合叠加，而在这个特定波长时，复合金属光栅中这两种金属狭缝内均产生了类Fabry-Pérot波导共振现象，但是共振模的级数不同。如果它们的共振模级数相差一，则光的透射强度将大幅度消弱，由于这两种狭缝出口处的磁场相位彼此反相，故可把这种现象归因为相位共振。相反，如果它们的共振模级数相差二，则光的透射强度将进一步增强，而此时这两种狭缝出口处的磁场相位彼此同相。
　　(3)研究了一种双层复合金属光栅结构的光传输特性。这种双层复合金属光栅结构是由两个相同的单层周期性亚波长双缝阵列复合金属光栅级联组成。结果表明，这种双层复合金属光栅的光传输属性强烈地依靠于两个金属层之间的电磁波的耦合作用和每个金属层的相邻两种狭缝出口处电磁波的相位配置关系，导致其对光的传输响应非常不同于与其对应的单层复合金属光栅和任一种双层简单金属光栅。例如在某一特定层间距时，对这个双层复合金属光栅而言，在某一波长下出现了一个显著的透射峰；而对于其相应的单层复合金属光栅而言，由于在这个波长时激发了相位共振从而导致在此波长所对应的是透射极小值；另外，对于这一层间距相应的两种双层简单金属光栅而言，在这个波长附近很宽的电磁波谱范围内的透射率都几乎为零。
　　(4)研究了一种二维含环形谐振腔的金属-绝缘体-金属(MIM)等离子波导复合结构的电磁波传输特性。这种复合结构由两个直MIM波导和一个环形谐振腔相互连接组成，其中两个直MIM波导位于环形谐振腔的两侧，出射侧直MIM波导相对于入射侧直MIM波导有一个位置偏向角θ。结果显示：与对称结构(θ=0°时)相比，非对称结构(θ>0°时)的滤波性能大大改善。对于大多数非对称结构，在略大于相应对称结构的透射极大值的波长位置都出现了透射极小值，同时在相应对称结构的透射极大值的波长位置仍然保留了一个透射峰，则非对称结构的透射谱上透射极大值和极小值之间的差值明显提高，且透射峰宽度变窄。研究表明：这种非对称结构产生透射极小值时，环形谐振腔与出射侧直MIM波导的耦合处都位于环形内的驻波共振的波节位置。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 表面等离子激元的基本性质

1.2.1 单金属-介质界面上的表面等离子激元

1.2.2 金属狭缝中耦合的表面等离子激元模

1.2.3 表面等离子激元的激发

1.3 亚波长金属孔缝阵列的光波异常透射机理

1.3.1 二维亚波长金属孔阵列

1.3.2 一维亚波长金属缝阵列

1.4 基于金属缝波导结构的等离子元器件

1.5 本文的研究内容

第2章 时域有限差分方法

2.1 引言

2.2 时域有限差分方法的基本算法

2.2.1 基本离散形式和迭代公式

2.2.2 计算区与边界条件

2.3 含金属色散材料的FDTD算法

2.3.1 金属的色散属性和模型

2.3.2 修正Drude模型下金属的FDTD算法

2.3.3 二维FDTD算法

2.5 本章小结

第3章 周期性亚波长缝阵列金属-介质多层膜的光传输特性

3.1 引言

3.2 计算模型与方法

3.3 数值结果分析与讨论

3.3.1 功能层数对光传输的调控

3.3.2 光栅周期对光传输的调控

3.3.3 其他几何因素对光传输的影响

3.4 本章小结

第4章 周期性亚波长双缝阵列复合金属光栅的传输共振

4.1 引言

4.2 计算模型

4.3 数值结果分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 双层亚波长复合金属光栅的光传输特性

5.1 引言

5.2 计算模型

5.3 数值结果分析与讨论

5.3.1 单层复合金属光栅

5.3.2 不同层间距的双层复合金属光栅

5.3.3 修改型双层复合金属光栅

5.4 本章小结

第6章 含环形谐振腔的MIM等离子波导的传输特性

6.1 引言

6.2 计算模型

6.3 数值结果分析与讨论

6.4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间已发表和待发表的学术论文

附录B 攻读学位期间主持和参与的科研课题

致谢