周期性微结构光学性质的研究

摘要

周期性微结构因其特殊的光学性质近年来受到了广泛的重视。在这种结构中，光的传播性质较其在普通介质中有着显著的不同。并且通过改变周期结构的某些物理参数，能够对光传播进行主动的操控，因此吸引了研究者们的极大兴趣，为人们控制材料的光学性质展示了诱人的前景。
　　 本文中分别对不同材料的周期性光学微结构进行了实验和理论上的研究。对于金属周期性微结构的研究，我们提出了一种新的构建金属光栅的方法：利用铌酸锂晶体的逆压电效应。通过对此种方式下获得的光栅的激发，观察到了表面等离子激元（surface plasmon polaritons，SPPs）的出现。另外，对于介质周期性微结构的研究，主要对纳米介质波导阵列的光传播性质进行了理论上的分析，并且应用时域有限差分法（Finite-difference Time-domain，FDTD）对介质纳米波导阵列的光传播性质进行了模拟。
　　 本论文的主要内容如下：
　　 第一章分别对金属周期性微结构和介质周期性微结构的基本物理性质进行了介绍，并概括性地介绍了它们的发展现状，应用前景等问题。
　　 第二章讲述了利用铌酸锂晶体的逆压电效应，构建动态可调的金属光栅。首先在铌酸锂晶体内部用两波耦合法记录下体相位光栅。根据铌酸锂晶体的光折变效应，明暗分布的相干条纹会导致晶体内部的载流子的激发。随着载流子激发、迁移、俘获的过程的完成，最终在晶体内部形成一个周期调制的空间电荷场。由于铌酸锂晶体的逆压电效应，晶体内部的调制空间电荷场会引起晶体内部及表面应变张量的变化。这样，在铌酸锂晶体的内部和表面都会受到力的作用而产生微小的形变。此时，溅射到铌酸锂晶体表面的银膜也会随着晶体表面形貌的变化而产生形变。虽然这种形变量非常之小，以至于在通常情况下无法通过衍射被观测到，但是，对于激发SPPs所需要的金属光栅振幅，这样的形变量是足够的。因此，当探测光照射到金属光栅上时，可以观察到SPPs被激发。这种构建金属光栅的方法具有很好的重复性，并且我们从不同的角度进一步证明了金属光栅的确实存在。
　　 与传统刻蚀的方法获得金属光栅不同，利用铌酸锂晶体的逆压电效应构建的光栅是动态可调的。相比之下，这种方法简单，可调，容易获取，并且保持了银膜的完整性。利用这种方式还可以构建复合光栅，即在同一个位置上和一个方向上，构建了具有不同周期的两个光栅，同样用探测光对金属光栅进行激发时，可以在相应的两处不同位置上观测到SPPs的激发。在铌酸锂晶体内存储图像时，由于LiNbO3：Fe的逆压电效应，溅射在晶体表面的银膜同样也会随着晶体表面的形变而发生起伏，此时的形变是带有所存图像的信息的。在这样的情况下，被激发的SPPs与光波相互作用产生的一级衍射将得到放大，可以在适当的位置上观测到一级衍射的图像。
　　 第三章主要介绍了纳米波导阵列中光束的传播性质。在介质纳米波导阵列中，普通的波导耦合方程不再适用。因为普通的耦合方程中，只考虑了近邻波导间的耦合作用。可是，在纳米波导中大部分能量都集中在波导的外壁传播，因此除了考虑近邻波导间的耦合作用，还要考虑其它波导间的耦合作用。我们对光波耦合方程进行了修正。为了简化计算，我们只是讨论了近邻波导耦合与次近邻波导耦合作用下耦合波方程，并且对三波导纳米分立系统和四波导纳米分立系统进行了方程的推导求解。结果表明，对于三波导纳米分立系统（最简单的纳米奇数波导阵列），要使光束能量从一条波导完全的转移到另外一条波导中，需要本征传播常数之比为含有负数的偶数之比；对于四波导纳米分立系统（最简单的纳米偶数波导阵列），要使光束能量从一条波导完全转移到另一条波导中，需要本征传播常数之比为含有负数的奇数之比。更多条的波导的耦合规律则无法通过耦合方程给出解析解。但是无论波导阵列如何复杂，我们可以确定，通过对耦合系数的适当选取，可以达到对光束传播控制的目的。我们用FDTD的方法对具有不同间隔的纳米二氧化硅波导阵列进行了光束传播性质的模拟。结果表明，通过调节波导间的间隔，即选择了不同的波导耦合系数，是可以达到对传播光束调控的目的。
　　 第四章对本论文进行了总结，并对周期性微结构的继续应用进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 金属周期性微结构

1.1.1 表面等离子激元的色散关系

1.1.2 表面等离子激元的特征长度

1.1.3 表面等离子激元的研究现状

第二节 介质周期性光学微结构

1.2.1 光子晶体

1.2.2 介质波导阵列的光传播特性

1.2.3 亚波长直径光纤及纳米波导阵列的研究

第三节 本论文的工作

第二章 铌酸锂基片上金属薄膜的表面等离子激元激发

第一节 表面等离子激元的激发方式

2.1.1 衰减全反射结构

2.1.2 金属光栅结构

2.1.3 其它激发结构

第二节 以铌酸锂晶体作为衬底构造金属光栅

2.2.1 铌酸锂晶体的物理性质

2.2.2 构建金属光栅的基本配置及理论分析

第三节 表面等离子激元的激发

2.3.1 实验样品的准备

2.3.2 实验配置及观测结果

2.3.3 关于实验结果的讨论

2.3.4 与构造光栅的传统方式的比较

第四节 利用逆压电效应激发表面等离子激元的应用

2.4.1 复合光栅激发表面等离子激元

2.4.2 表面等离子激元在图像存储中的应用

第五节 本章小结

第三章 周期性亚波长结构的光传播性质

第一节 纳米波导阵列中光传播的理论原理

3.1.1 光在波导阵列中的耦合方程

3.1.2 考虑次近邻耦合情况下的光波耦合方程

第二节 时域有限差分法

3.1.1 时域有限差分法的基本原理

3.2.2 参数的设定

第三节 周期性亚波长介质波导阵列光传播特性

3.3.1 FDTD方法模拟的结果

3.3.2 实验结果的分析

第四节 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简历