基于超表面等离子激元的光学波片研究

摘要

随着科学技术小型化集成化的发展，纳米光子学应运而生。基于表面等离子激元的超表面材料是一种新兴的在纳米尺度进行光学操控的有效途径。超表面材料是一种人工设计的亚波长平面微纳结构。利用超表面等离子激元共振效应，通过调节二维单元的结构和几何参数，这种新型超表面器件与传统的体超材料相比，对电磁场的强度和位相的调控能力更强，而且具有轻型化、微型化、集成化等优点，因而在纳米光子的调控方面，引起了人们广泛的研究兴趣。本文对基于超表面等离子激元的光学波片进行了理论研究与设计，主要内容包括：
　　（1）提出了一种玻璃基底，银膜上镂空的缺角矩形环阵列的超薄1/4波片。对提出的波片结构进行了详细的光学传输特性分析，证明通过消除传统矩形环结构中重叠的四个方角能显著提高结构的光学各向异性，从而显著的降低设计1/4波片需要的金属厚度。优化设计了一个中心工作波长为1550nm的超薄透射型1/4波片，其需要的银层厚度仅10nm。考虑到实际应用需求，我们进一步提出了Si基底上带SiO2过渡层的亚波长金光栅1/4波片结构。通过降低光栅高度，增大光栅占空比，使TE波和TM波同时透过光栅。利用光栅结构强烈的各向异性和过渡层的增透效应，首次实现了超薄的宽带金属光栅1/4波片。此波片中的光栅高度只有6nm，在1550nm附近340nm的波段范围内可实现近完美的1/4波片功能。金属厚度的降低可有效减小器件的制备工艺难度，更有利于微纳器件的制造与集成。
　　（2）为了拓宽波片的工作带宽，我们进一步提出了一种新型的SiO2基底上栅栏型光栅结构1/4波片。研究表明，通过控制光栅周期单元的结构参数，可以有效地控制正交方向两个独立的LSP共振位置及其附带的相位突变，获得在很宽的波长范围内平坦的位相差分布。结合入射线偏振光方位角的变化，可以实现近红外到中红外的超宽带1/4波片功能。优化设计的栅栏型1/4波片结果表明，在2000nm到4500nm的超宽带范围内，其位相差波动范围小于π/2的2％，在带宽内任意波长处可得到Ex=Ey。此外，我们进一步简化栅栏型结构，提出了SiO2基底上的亚波长银光栅1/4波片的设计。通过选择合适的光栅周期固定共振峰位置，通过粗调光栅的占空比及细调光栅的高度来控制透射光的位相差分布，我们给出了两个分别工作在近红外760nm～2000nm波段和中红外2240nm～5000nm波段的超宽带1/4波片实例。本节提出的波片结构为超宽带微纳光子器件的设计提供了一些新的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 基于二维超表面的透射型表面等离子激元1/4波片研究现状

1.3 基于亚波长金属光栅的透射型表面等离子激元1/4波片研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 基本原理及计算方法

2.1表面等离子激元的基本概念和特性

2.2局域表面等离子激元及其特性

2.3时域有限差分（FDTD）数值计算方法

2.4本章小结

第三章 超薄透射型表面等离子激元1/4波片

3.1引言

3.2基于缺角矩形环阵列的超薄透射型表面等离子激元1/4波片

3.3超薄透射型Si基底亚波长光栅1/4波片

3.4 本章小结

第四章 超宽带透射型表面等离子激元1/4波片

4.1 引言

4.2 基于栅栏光栅的超宽带透射型表面等离子激元1/4波片

4.3 超宽带透射型SiO2基底银光栅1/4波片

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文及专利

致谢