基于表面等离子体激元的光学滤波片与完美吸收超材料的设计及数值模拟

摘要

近年来，表面等离子体激元因其独特的非线性光学性质引起了科学界极大的兴趣。表面等离子体激元在科学实践的很多领域有着广泛的应用，比如环境能源、生物科技和光学成像等领域。而要拓展这些应用，必须设计出更多基于表面等离子体激元的微纳米光学器件。微纳光学器件的实验制备具有成本高、周期长和效率低等特点，而通过数值计算设计微纳光学器件相对来说是廉价高效的。本文主要阐述了通过有限时域差分法(FDTD)设计具有优良光学性质的光学滤波片和完美吸收超材料。本论文的主要研究内容和成果如下:
　　在第一章中，综述了传播型表面等离子体激元和局域表面等离子体激元的概念，另外还简要概述了基于有限时域差分法的理论算法。
　　在第二章中，主要研究基于异常光学透射的两种光学滤波片的透射性质。可见光和红外波段下亚波长的金属孔洞阵列的透射率可以远大于经典电磁理论预测的透射率，甚至可以超过占空比，这种异常光学透射的现象可以用来制备光学滤波片。据此，本文提出了两种不同结构光学滤波片的设计。第一种滤波片是两面有不同对称结构的亚波长孔洞阵列的金膜。金膜上穿透孔阵列和未穿透孔阵列相互嵌套。第二种滤波片基于亚波长孔洞-圆柱复合结构的周期性阵列。利用商业软件FDTD Solutions，计算了这两种光学滤波片在红外和可见光波段的透射性质。在光学模拟中，发现这两种不同结构的滤波片均能通过改变一些几何参数有效的调节透射峰的强度和位置。模拟发现在第一种光学滤波片中传播型表面等离子体激元的(1，0)能级出现劈裂。当入射光正入射照在有未穿透孔阵列的金膜表面时，与传播型表面等离子体激元(1，1)模相关的透射峰随着未穿透孔深度的增加而逐步增强并且红移。当入射光正入射照在没有未穿透孔阵列的金膜表面时，与传播型表面等离子体激元(1，1)模相关的透射峰随着未穿透孔深度的增加先增强后减弱。在计算中，方向在第二种滤波片中有两个显著的透射峰，长波方向的透射峰是与表面等离子体激元共振相关，另一个短波方向的透射峰与硅圆柱形颗粒的磁偶极子共振相关。另外，还有两个微弱的透射峰，分别是硅圆柱颗粒的磁四极子共振峰和whispering-gallery plasmon（谐振腔微环等离子体）（谐振腔微环等离子体）与磁偶极的耦合峰。通过计算还发现了硅颗粒的磁偶极共振抑制了金-空气界面处的表面等离子体激元共振。
　　在第三章中，提出了基于介质-介质-金属结构的完美吸收超材料的设计。模拟发现这种基于介质-介质-金属（I1-I2-M，其中I1是迎光面）结构的完美吸收超材料在可见光和红外波段具有双波段的完美吸收。借助于麦克斯韦方程，分析认为当入射光照射在氮化硅周期性颗粒面(I1)上时，在颗粒内部产生了电偶极共振，电偶极共振的位移电流产生环形极化电流，而氮化硅单元下表面的极化电流在硅颗粒的下表面形成极化电荷分布。这种极化电荷分布在金膜上表面产生镜像极化电荷分布。正是这种金膜表面的镜像极化电荷的集体振荡产生了传播型表面等离子体激元，导致入射光的能量转变成传播型表面等离子体激元的能量，并被局域在氮化硅单元阵列或石英薄膜内。另外，可以把设计的基于介质-介质-金属结构的超材料应用在光学传感器上。
　　在第四章中，设计了在微波波段的基于二维复式孔洞-圆柱阵列的滤波片。在厘米级的不锈钢孔洞中塞入铁圆柱，构造同轴波导的狭缝阵列，并在实验上观测到高达90％以上的透过率。据此提出了新的模型解释测量到的高透射率。当入射电磁波照射在样品上时，亚波长小孔的辐射相当于一个磁偶极辐射。当圆孔中塞入铁柱时，铁柱在外电场的作用下产生电偶极共振。铁柱的电偶极共振显著的增强了亚波长小孔的磁偶极辐射，最终导致入射电磁波能量高通穿过狭缝阵列。
　　在第五章中，对本论文研究工作进行了概括性的总结和展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 表面等离激元的概念

1．2．1 传播型表面等离子体激元

1．2．2 局域表面等离子体激元

1．2．3 表面等离子体激元在异常透射及完美吸收超材料方面的应用)

1．3 时域有限差分法

1．4 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 基于传播型表面等离子体激元的两种光学滤波片的设计

2．1 引言

2．2 异常光学透射概述

2．2．1 异常光学透射的现象和已知的背后机理

2．2．2 异常光学透射现象的主要应用

2．3 第一种光学滤波片的设计

2．3．1 滤波片的结构及模拟

2．3．2 模拟结果及讨论

2．4 第二种光学滤波片的设计

2．4．1 滤波片的结构及模拟

2．4．2 模拟结果及讨论

2．5 本章小结

参考文献

第三章 基于介质-介质-金属结构的完美吸收超材料

3．1 引言

3．2 完美吸收超材料的研究和进展

3．2．1 制备能在更宽频谱内工作的MPA

3．2．2 完美吸收超材料的应用

3．3 基于介质-介质-金属结构的完美吸收超材料

3．3．1 基于介质-介质-金属结构的MPA与光学建模

3．3．2 基于介质-介质-金属结构的MPA的完美吸收分析

3．4 基于介质-介质-金属结构MPA应用于超材料光学传感器

3．5 本章小结

参考文献

第四章 微波波段内基于亚波长的孔洞-金属圆柱复合结构阵列的透射特性

4．1 引言

4．2 Spoof SPPs的概念及近年研究进展

4．2．1 Spoof SPPs的概念与实验证明

4．2．2 与Spoof SPPs有关的EOT现象

4．3 亚波长孔洞-金属圆柱复合阵列制备及透射表征

4．3．1 亚波长孔洞-金属圆柱复合结构阵列的结构及其制备

4．3．2 实验测试亚波长孔洞-金属圆柱复合结构阵列透射

4．4 亚波长孔洞-铁圆柱复合结构阵列的理论模拟及机理解释

4．5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

攻读学位期间发表的学术论文及专利

附录 论文中用到的英文缩写

致谢