多层金属—介质光子晶体近红外波段光学特性的研究

摘要

表面等离子激元(SurfacePlasmonPolaritons)或表面等离子体(SurfacePlasmon)是在电介质和导体界面间激发的一种电磁波，并且通常被限定在界面的垂直方向上形成倏逝波。这种在界面上传播的电磁波是通过电磁场和导体的电子等离子体相耦合而形成的。随着当前表面加工工艺的进一步发展，各种新型的激发表面等离子激元的结构被开发出来，从而进一步拓展了表面等离子激元的运用。有效地激发表面等离子体的结构不仅可以更好地改变器件的性能，同时，新型的结构可以产生新的物理现象和实现新的功能。金属二维孔阵列的超强透射效应（Extra-OrdinaryTransmission）拓展了表面等离子激元在光学传感上的应用。另外，结合表面等离子体和材料热辐射特性制作的红外辐射源使得辐射源可以具有窄带宽辐射特性。
　　本文在阐述了表面等离子极化原理的基础之上利用基于时域有限差(FDTD)方法的计算软件，研究了二维金属光子晶体结构在表面等离子体中的运用。通过对多层光子晶体结构进行建模仿真来分析其在近红外波段的光学特性，研究并总结了结构参数和材料属性等对光学特性的影响。同时，本文的研究方向处于近红外波段，为在该波段上进行近红外辐射器或者气体探测等多方面的研究做铺垫。本文主要研究工作如下:
　　(1)针对金属-介质-介质构成的三层结构，研究了该结构嵌有周期性排列的圆孔阵列时的光透射特性，研究了金属表面等离子体的激发对结构透射特性的影响。比较了圆孔呈四边形排列和正六边形排列两种情况下结构的透射谱线特征，分析了谱线的峰值同金属材料及等离子极化共振模式之间的关系。通过模拟对比发现，圆孔呈正六边形排列的结构的透射谱线具有更好的选谱特性，而四边形晶格则通常有亚峰值，使得其频谱选择性较差。
　　(2)研究了银-二氧化硅-银三层光子晶体结构的吸收谱线，发现其吸收谱线具有随着二氧化硅厚度减少而存在的红移现象;分析了二氧化硅厚度对等离子体激发模式的影响。通过分析得知，两个银-二氧化硅界面上表面等离子激元的相互耦合导致了结构吸收峰值出现红移现象。另外，两个银-二氧化硅界面处表面等离子体的耦合同时会对可以激发的表面等离子模式进行选择。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 表面等离子体简介

1．2 表面等离子体研究的历史背景

1．3 表面等离子体的运用

1．4 本论文的研究目的和意义

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 金属中的电磁场

2．1 麦克斯韦方程组和电磁波传输理论

2．2 自由电子气模型(Drude模型)

2．3 自由电子气散射和体等离子激元

2．4 实际金属的电磁特性(带间散射的影响)

2．5 金属材料中电磁场能量的计算

第三章 金属-电介质界面上的表面等离子极化

3．1 波动方程

3．2 单层界面上的表面等离子极化

3．3 多层结构中的表面等离子极化

3．4 表面等离子体对电磁场的能量约束

第四章 麦克斯韦方程组的时域有限差分求解

4．1 麦克斯韦方程组及其FDTD形式

4．2 FDTD数值的稳定性

4．2．1 时间离散间隔的稳定性要求

4．2．2 空间间隔的稳定性要求

4．2．3 差分近似后的各向异性特性

4．3 激励源

4．3．1 高斯脉冲

4．3．2 The Blackman-Harris Window

4．3．3 平面波源

4．4 吸收边界条件和周期性边界条件

4．4．1 完全匹配层(PML)

4．4．2 周期性边界条件

第五章 用FDTD法研究具有周期性孔阵列的多层金属-介质结构的光学特性

5．1 引言

5．2 计算模型与理论

5．2．1 具有周期性圆孔阵列的金属-二氧化硅-硅结构的参数设定

5．2．2 具有四边形晶格排列的圆孔阵列的银-二氧化硅-银结构的参数设定

5．3 结果与讨论

5．3．1 具有周期性圆孔阵列的金属-二氧化硅-硅结构的模拟结果与讨论

5．3．2 圆孔呈四边形晶格排列的银-二氧化硅-银结构的结果与讨论

5．4 本章总结

第六章 结束语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢