莫比乌斯带上表面等离子体激元的物理性质研究

摘要

表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs），简称为表面等离激元，是金属表面上的自由电子与入射电磁波耦合产生集体振荡而形成的一种电磁场模式。表面等离激元能够束缚在金属表面，沿着金属表面传播，具有局域增强和能突破传统衍射极限的特性，已经在纳米光电子器件、生物传感、新型光源、数据存储等前沿领域展现出了诱人的应用前景。光学谐振腔能将光场限制在极小的空间内，在腔内形成能量密度很高的光场，具有极高的品质因数和极低的模式体积，能有效地增强光与物质的相互作用。将表面等离激元与光学谐振腔相结合，腔内束缚的模式形成了表面等离激元共振模式，不仅仅具有表面等离激元能突破衍射极限的优势，模式体积也能进一步地减小。本文就以表面等离激元谐振腔为基础，通过数值仿真分析，探讨了圆环形结构和莫比乌斯带结构的表面等离激元谐振腔中各个模式的形态及其主要参数性能。本论文的研究工作主要有以下内容：
　　1）通过圆环形谐振腔的金属层在内外径不同的位置，分别讨论了腔内各种模式的形态和参数性能。腔内主要有两种模式场，一是纯表面等离激元模式，二是混合型回音壁模式，它们主要参数之间的差异较为明显。为实际应用考虑，外径为金属层的圆环形谐振腔中的各模式更为清晰稳定，并能够根据具体需求选择合适的模式。
　　2）通过对圆环形内外径尺寸和介质介电常数的改变探讨了谐振腔各参数性能的变化规律。由于外径的改变对谐振腔各参数的影响呈现的是线性规律，因此能通过对外径的控制精准地对谐振腔参数性能进行调整。适当地减小介质腔介电常数能在不影响模式体积的前提下有效地提高品质因数。
　　3）将莫比乌斯带与表面等离激元相结合构成了莫比乌斯带结构的表面等离激元谐振腔。首先通过数学模型及边界条件从理论上定性分析了莫比乌斯带上表面等离激元的各项性质，并通过仿真得到的场强分布图也证实了之前的理论分析。通过对与介质层结合构成的莫比乌斯带结构的表面等离激元谐振腔进行研究分析，并与圆环形谐振腔相比较，前者的模式体积有一定程度的减小，并且还有着更多新颖的性质，如两倍的空间体积和局部空间隔离性等，均具有潜在的应用前景。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 表面等离子体激元的研究背景

1.2 表面等离子体激元与光学谐振腔

1.3 表面等离子体激元的研究进展及应用

1.4 论文研究意义

1.5 论文工作安排

第二章 表面等离子体激元的基本理论

2.1 表面等离子体激元

2.2 表面等离子体激元的特征参数

2.3 表面等离子体激元的激发方式

2.4 表面等离子体激元光学谐振腔

2.5 本章小结

第三章 圆环形表面等离子体激元谐振腔的研究

3.1 圆环外径为银层的谐振腔

3.2 圆环内径为银层的谐振腔

3.3 圆环内外径均为银层的谐振腔

3.4 谐振腔结构参数的改变对性能的影响研究

3.5 本章小结

第四章 莫比乌斯带上表面等离子体激元的研究

4.1 莫比乌斯带理论

4.2 莫比乌斯带上表面等离子体激元的理论分析

4.3莫比乌斯带结构的表面等离子体激元谐振腔的模型建立

4.4 仿真结果及分析

4.5 应用探讨

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

研究生期间的研究成果