介质膜下亚波长金属狭缝结构异常透射性的研究

摘要

在Ebbesen发现不透明金属薄膜上亚波长孔径阵列的增强透射效应之后,电磁波在金属亚波长结构中的传播特性及其机理的研究,为金属薄膜中控制光子运动提供了有力的工具,并逐渐成为研究的热点问题。其中一维亚波长金属光栅异常透射在光伏产业和LED照明等方面具有十分广阔的应用前景。
　　 本论文主要利用时域有限差分方法(FDTD)针对TE波激励下带有电介质覆层的周期性亚波长一维金属狭缝的异常透射问题,系统研究了电介质覆层及其金属狭缝结构各参数变化对透射特性的动态影响,并对其透射增强现象的物理机制进行了分析,建立了柱面表面波理论,得到了异常透射主要是来自于金属／电介质界面的电荷振荡的重要结论。
　　 本论文的主要研究工作及成果如下:
　　 (1)利用时域有限差分法,对TE偏振光(电场平行狭缝方向)激励下,电介质覆层厚度与金属薄膜厚度变化时,带电介质亚波长一维金属光栅的光场分布进行了数值模拟实验。根据金属表面电荷分布理论和表面波理论对此现象进行了物理机理分析,通过分析可以得出在金属狭缝处产生柱面表面波,这种表面波可以突破衍射极限,从而引起异常透射；并且根据Ag的表面电荷分布及其激发机理分析,得到了透射峰位置与介质覆层厚度变化的动态响应以及金属薄膜厚度改变时透射率与波长变化的动态关系,确定了柱面表面波是该异常透射现象产生的一个重要因为。
　　 (2)在TE波激励下,加电介质的亚波长周期性金属薄膜狭缝结构中,主要针对单缝结构进行光场模拟,得出单缝结构具有异常透射现象,异常透射来自于表面共振和狭缝内共振,透射峰位置透射峰的位置由狭缝内和金属表面的共振模式共同决定。通过对多缝和不同占空比周期结构狭缝结构进行光场模拟,发现在占空比固定的条件下,单缝透射中与周期性狭缝结构中透射的能量分布几乎一致,得出周期性亚波长金属狭缝结构能量主要来自于单缝透射,周期性结构中的各个狭缝相对独立透射。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 金属亚波长阵列异常透射现象国内外的研究现状

1.3 表面等离子的理论

1.4 异常透射的潜在应用

1.5 本论文的主要内容及创新点

第二章 理论基础

2.1 时域有限差分方法(FDTD)概述

2.2 电磁场理论基础

2.2.1 麦克斯韦方程组

2.2.2 麦克斯韦方程及其差分格式

2.3 FDTD边界条件

2.3.1 吸收边界条件

2.3.2 完全匹配层

2.4 金属模型

2.4.1 Drude模型

2.4.2 Lorenz-Drude模型

2.5 金属介质的色散模型及金属反射、吸收特性

2.6 狭缝中波导及其有效折射率的理论分析

2.6.1 金属狭缝中的波导结构

2.6.2 波导结构中有效折射率

第三章 介质覆层下亚波长金属光栅异常透射及其表面波理论

3.1 引言

3.2 理论模型

3.3 结果分析

3.3.1 介质覆层的异常透射现象

3.3.2 光栅表面电荷分布、能量分布及能量透射与波长的动态关系

3.3.3 柱面表面波模型分析

3.3.4 介质覆层厚度变化对透射的影响

3.3.5 金属薄膜厚度改变对透射率的影响

3.4 本章小结

第四章 周期性金属狭缝结构变化对异常透射的影响及机理

4.1 引言

4.2 理论模型

4.3 结果与分析

4.3.1 单缝异常透射现象

4.3.2 在狭缝一边和两边同时添加凹槽时的对透射的影响

4.3.3 各种参量对透射峰位置的影响

4.3.4 周期结构能量透射来自单缝的透射

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间公开发表的论文和科研情况