利用多层介质膜提高SPP效应的研究

摘要

表面等离子体激元是光波与金属中自由电子集体振荡产生的一种表面波。表面等离子体激元具有高强度、亚波长等优点，在光子元器件的微型化和集成化发展中有巨大的潜力，因此国内外广泛展开了对表面等离子体激元理论与应用的研究。
　　本文从理论分析与模拟仿真两方面对基于表面等离子体波的金属-介质多层膜光栅的聚焦特性进行研究。首先，介绍了表面等离子体波的基本原理和相应的特征长度，对表面等离子体波产生的各种新颖效应进行说明。其次，列举了几种可以调控光束的金属光栅微纳结构，分析其聚束原理和调节机制。最后，结合多层膜理论，提出金属-介质多层膜光栅，通过对该结构的模拟分析发现，金属-介质多层膜光栅能够改善聚焦特性。
　　通过改变介质层的厚度，对应的焦长调节范围为3.22μm，优于传统单金属光栅结构采用改变凹槽曲面分布调节焦长的方法。改变介质层材料特性，发现对应固定的金属材料，不同介质材料对聚焦效果影响显著，主要是由于金属与介质的介电常数匹配问题引起的。金属-介质层的层数和凹槽个数也可以调节焦长焦深，最大焦长可达26μm，因此结构的层数也可以用来控制远场聚焦效果。本文采用的金属-介质-金属光栅结构，与传统的金属光栅结构相比，聚焦效果得到较大改善，这主要是由于多次散射和金属-介质介面的表面波耦合增强。该结构由于增加了介质层因此具有更大的调节空间，实现聚焦特性的改变，具有一定的应用价值。