一维金属波导的TM模式特性与亚波长孔径的近场衍射及其原子囚禁

摘要

表面等离激元(SPP)是由自由电子与电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波。众所周知，SPP可以在金属/介质的界面上激发，并沿着界面传播，在界面上达到电场强度最大值。本学位论文首先综述了表面等离激元、金属波导以及SPP原子囚禁的研究进展，然后解析并仿真研究了金属/介质/金属波导的TM模式特性，最后解析研究了亚波长圆孔径的近场与远场衍射特性，并理论研究了亚波长圆孔径近场的原子囚禁问题。
　　在第二章中，我们由一维金属/介质/金属波导结构的模式方程，得到了在TM模式下、在亚波长条件下传输距离和有效折射率的解析表达式，并研究了传输距离和入射波长、波导宽度、金属材料之间的关系，此外对金属Drude模型和Lorentz-Drude模型的结果做了对比。研究发现:在波长一定的情况下，有效折射率随着波导宽度的增加而减少;在波导宽度一定时，当波长超过一定值时，有效折射率随着波长的增加而减小。在金属/介质/金属结构中，当波导宽度很小的时候，两个表面等离激元模式之间存在强烈的耦合，它们之间的耦合是非线性的;当波导宽度较大时耦合较弱，可以看成是两个表面等离激元的线性叠加。
　　在第三章中，我们用平面矢量角谱法研究了亚波长尺寸圆孔的近场与远场衍射，得到了近场与远场衍射的电场强度的解析表达式，在此基础上提出了采用圆孔的近场衍射来囚禁冷原子的方案。研究发现，在圆孔半径很小的时候，圆孔近场衍射中消逝场分量在总场中占主要作用，而当圆孔半径增大甚至超过一个波长时，传播场就占主要作用了。在圆孔近场衍射囚禁冷原子的方案中，近场在圆孔周围的总势可以构成一个三维的局域分布，在光场为红失谐情况下，可以囚禁少量原子甚至是单个原子。囚禁原子的自发辐射速率、瑞利和拉曼散射速率很小，原予具有很长的寿命。该原子囚禁方案可以用来研究包含原子与固体器件的混合量子系统问题。
　　在第四章中，我们对研究内容进行了总结和展望。本文中对金属/介质/金属结构亚波长金属波导的TM模式特性的研究结果与亚波长圆孔径近场衍射及原子囚禁方案的研究结果对微纳米光学、原子光学及量子光学的发展具有一定的参考价值，为将来实验研究提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 表面等离激元简介

1．2 基于表面等离激元的金属波导

1．3 纳米尺度的原子囚禁简介

1．4 本文主要内容及创新点

第二章 亚波长金属波导的TM模式特性研究

2．1 引言

2．2 亚波长金属／介质／金属结构波导的模型及理论

2．3 金属／介质／金属结构波导在TM模式下传输距离

2．4 金属／介质／金属结构波导在TM模式下对于光的有效折射率

2．5 表面等离激元的模式耦合特性

2．5．1 模拟方法

2．5．2 不同d值下的线性叠加与实际耦合的对比

2．5．3 在距离光源不同距离处线性叠加与实际耦合的对比

2．6 结论

第三章 亚波长圆孔的近场衍射及其原子囚禁

3．1 引言

3．2 圆孔附近衍射解析表达式

3．3 原子囚禁方案及圆孔近场衍射的强度分布

3．4 冷原子的势能和自发发射速率

3．5 结论

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻渎硕士学位期间撰写的论文