亚波长金属结构光传输特性的时域有限差分模拟

摘要

表面等离子体在信息、能源、医疗等领域都有着重要的应用前景，尤其在微纳光子器件方面，人们已构筑了一些亚波长光子器件原型。然而这些器件当前只是概念型器件，很多研究工作还有待展开，如：继续深入地探究亚波长金属结构中光透射增强现象的物理机制；探究表面等离子体光子器件的调控机理，实现动态调控；对各种表面等离子体光子器件在材料、结构等方面加以改进和提高，并探索新的光子器件。本论文基于严格的经典电磁场理论，从麦克斯韦方程组出发，运用时域有限差分（Finite Difference Time Domain, FDTD）数值模拟方法，研究了新颖的太极型孔阵列结构的光滤波特性和填充非线性材料的金属狭缝光分束特性，主要内容如下：
　　（1）介绍了表面等离子体的基本性质、新颖效应，并介绍了本论文中运用的电磁场的数值模拟方法——时域有限差分方法的基本理论，推导及实现了适用于金属色散介质及非线性光学材料的FDTD算法与程序。
　　（2）利用三维FDTD方法，首次模拟计算了亚波长太极型孔阵列结构的光传输特性，结果表明太极形孔阵列在可见光和近红外波段均具有良好的带通滤波特性，其中在可见光波段的通带半高全宽仅20 nm。研究了孔阵列周期与入射光偏振方向对太极形孔阵列结构滤波特性的影响。通带中心波长主要由与偏振方向一致的阵列周期决定，并随着该周期的增大而发生红移。通过调节光源偏振方向可实现对太极形孔阵列滤波特性的动态调控。
　　（3）利用二维FDTD方法，模拟计算填充非线性材料的亚波长金属狭缝的光分束特性，研究了填充非线性材料的金属狭缝结构的光分束特性及其调控原理。基于填充非线性材料的金属三狭缝对称结构获得了输出端口数目可动态调控的新型光分束器：当入射光强为8.3GW/cm2时，为1×2对称光分束器，分束角度约为64°；当入射光强为1.33GW/cm2时，为1×3对称光分束器。通过优化设计金属狭缝宽度、个数及其排列顺序，实现了不同输出端口数目的对称光分束器。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本论文的主要内容

第二章 表面等离子体研究的基本理论与数值分析方法

2.1 表面等离子体的基本性质

2.2 基于表面等离子体的新颖光学效应

2.3 表面等离子体研究的数值分析方法

2.4 本章小结

第三章 亚波长太极形金属孔阵列的滤波特性

3.1 太极形银薄膜孔阵列的滤波特性

3.2 阵列周期对太极形银薄膜孔阵列滤波特性的影响

3.3 光源偏振方向对太极形银薄膜孔阵列滤波特性的影响

3.4 本章小结

第四章 填充非线性材料的亚波长金属狭缝光分束特性

4.1 金属三狭缝结构的光分束特性及其动态调控

4.2 金属狭缝光分束输出端口数目的优化

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究内容与结论

5.2 有待进一步研究的内容及展望

参考文献

发表论文及参与科研情况

致谢