自由电子激励金属中的表面等离子体激元的研究

摘要

将电子学与光子学方法相结合产生电磁辐射是一个全新的研究领域，引起了科研人员的浓厚兴趣。利用自由电子和表面等离子体激元，将电子学与光子学结合进行深入研究有十分重要的价值，本论文开展了自由电子激励金属中的表面等离子体激元的研究。
　　本论文首先分析了电子束掠过半无限大金属结构和金属薄膜结构激励产生的表面等离子体激元。对于半无限大金属结构，表面等离子体激元的频率与金属材料属性和电子束的能量有关。对于金属薄膜结构，表面等离子体激元存在对称模式和非对称模式，且其频率与金属材料属性、金属薄膜厚度和电子束的能量相关。
　　针对表面等离子体激元的辐射问题，本论文从完纯导体光栅入手，研究了电子束平行掠过光栅中产生的Smith-Purcell辐射和表面波。Smith-Purcell辐射与电子束的能量和光栅的周期相关，其频率因电子束能量的增大以及光栅的周期减小而相应的增大。表面波的频率受到电子束的能量和光栅的结构参数（如周期、间隙深度、占空比）的影响，且其始终较Smith-Purcell辐射的频率小。
　　在非理想金属光栅中，表面等离子体激元、Smith-Purcell辐射以及表面波能够被电子束同时激励起来，本论文对这一物理过程进行了详细分析。Smith-Purcell辐射的变化规律不因引入金属材料而改变。表面等离子体激元可以存在两种不同频率的模式，且随着光栅间隙深度的增大，两种模式的频率差变大。如果金属光栅的周期和电子束的能量适宜，Smith-Purcell辐射将可能被表面等离子体激元增强。
　　最后，本论文根据仿真分析的结果，设计结构适宜的金属光栅，并利用扫描电子显微镜和光谱仪开展了实验研究。扫描电子显微镜提供性能良好的电子束，而光谱仪通过光纤收集SEM中激励所得的信号，分析信号的成分以得到信号的频谱。电子束掠过金、银材料的光栅结构均观察到Smith-Purcell辐射的多次空间谐波，且观察到了疑似表面等离子体激元的现象。电子束与金光栅呈一定角度相互作用能够观察到表面等离子体激元。

目录

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第一章 绪 论

1.1 表面等离子体激元概述

1.1.1 表面等离子体激元的特性

1.1.2 表面等离子体激元的激励

1.2 本文的选题依据与主要内容

第二章 电子束激励半无限大金属结构和金属薄膜

2.1 运动电子束的投射场

2.2 电子束激励半无限大金属结构

2.2.1 数值分析

2.2.2 仿真分析

2.3 电子束激励金属薄膜结构

2.3.1 数值分析

2.3.2 仿真分析

2.4 本章小结

第三章 电子束激励光栅结构

3.1 电子束激励PEC光栅结构

3.1.1 数值分析

3.1.2 仿真分析

3.2 电子束激励金光栅

3.2.1 电子束激励不同间隙深度的金光栅

3.2.2 不同能量的电子束激励金光栅

3.2.3 电子束激励不同周期的金光栅

3.2.4 电子束激励不同占空比的金光栅

3.3 本章小结

第四章 实验分析电子束激励金属光栅结构

4.1 实验原理

4.2 实验结果

4.2.1 电子束激励光纤和基底

4.2.2 电子束激励周期为230nm的金光栅

4.2.3 电子束激励周期为300nm的金光栅

4.2.4 电子束激励周期为300nm的银光栅

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献