时域有限差分法在表面等离子体亚波长光学研究中的应用

摘要

表面等离子体(Surface Plasmons，SPs)是沿着导体表面传播的波，当改变金属表面结构时，SPs的性质，包括色散关系，激发模式，耦合效应等都将发生重大的变化。因此，利用SPs能够实现对光的主动操控，可以设计出新型的光子器件，在亚波长光学，光存储，光激发，显微术和生物光子学等领域都具有广泛的应用前景。 亚波长范围内金属的电磁散射问题超出常规衍射理论的极限，研究该问题的最准确的方法是严格求解Maxwell方程组。时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain method，FDTD)是目前最为成功的电磁数值方法之一，具有实现简单，近似较少，精度高，时域计算等特点，在SPs的研究中得到了广泛的应用。 本文第一章首先介绍了SPs的基本性质，然后介绍了SPs的若干重要应用，包括波导芯片，光源，光刻等；第二章介绍了FDTD方法的基本原理，在传统FDTD方法的基础上增加了金属色散模型Drude模型，使得可以模拟金属介质；第三章严格求解了无限长圆柱的散射问题，得到了解析解，并与FDTD方法得到的结果作了一些比较；第四章介绍了金属纳米圆柱对的SPs共振现象以及纳米圆柱阵列的一些传播特性，使用FDTD模拟了基于金纳米圆柱双链结构的SPs波导以及Y分束器：第血章为总结和展望。

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第一章绪论

1.1引言

1.2表面等离子体的色散关系

1.3表面等离子体的激发

1.4表面等离子体的应用

1.4.1波导与光子芯片

1.4.2新型光源

1.4.3光刻

1.5小结

第二章时域有限差分法

2.1引言

2.2麦克斯韦方程与Yee元胞

2.3 Drude模型

2.4引入金属色散介质的时域有限差分法

2.5光源的引入与吸收边界条件

2.6小结

第三章二维纳米圆柱散射问题的解析解及其FDTD验证

3.1引言

3.2问题的数学解

3.3 FDTD模拟与对比

3.4小结

第四章金属纳米圆柱阵列

4.1引言

4.2纳米圆柱对

4.3圆柱阵列波导

4.4 Y分束器

4.5小结

第五章总结与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢