亚波长结构金属光学元器件局域场增强和散射特性的研究

【摘要】： 近几年，亚波长尺寸的金属光学器件成为光学领域的一个研究热点。亚波长尺度金属的自由电子与光场产生共振而引发表面等离子激元效应，从而产生了诸如纳米孔的超强透射、金属表面局域场能得到几百倍甚至上千倍于入射场的增强效应等等这些奇异的光学现象。目前，人们在研究它的物理机理的同时，也使用它的特性开发了很多亚波长的光学器件，而基于表面等离子体的各种纳米光子器件被认为是当今最有希望实现纳米全光集成回路的基础。 本论文通过边界积分方法研究了二维矩形金属柱和有限大非对称金属光栅的散射特性并讨论了制作误差对它们的影响；设计了亚波长的纳米腔实现了突破衍射极限聚光，并且振幅达到入射场的近一百倍；分析了有限大具有单缝的金属薄膜，当在缝的两边刻蚀周期性和非周期性结构时它的透射性能。主要内容如下： 1．研究了制作误差对二维矩形金属柱的表面等离子体激元散射特性的影响。发现对于较小尺寸的金属纳米柱，制作误差会带来共振峰的蓝移，并且移动随着制作误差的加大而加大，同时，散射强度随之减小。 2．研究了二维表面非对称刻蚀的金属薄膜在表面等离子体激元激发时的近场分布和表面电场方向。数值结果表明，在表面等离子体激元激发的时候，因为结构的不对称性，光场的能量被局域到薄膜一边。从而在某种程度上揭示了两边具有刻蚀结构的金属缝的高透射现象和物理起因。考察了当表面刻蚀具有误差时对局域场效应的影响，研究发现，对于较大的结构，制作误差不能引起峰值的移动，但对峰值的大小仍有比较明显的影响。 3．提出并设计了由两个金属板夹成的二维纳米腔，此纳米腔两侧的金属板内面具有刻蚀周期结构，数值模拟表明此纳米腔能够突破衍射极限聚光，即聚光的光斑在横向方向上为入射光波长的1／5，纵向方向上是入射光波长的1／20。聚焦最强处的振幅为入射光振幅的近100倍。研究发现，通过改变腔的几何参数能够获得最佳的局域场增强效应。 4．研究了两边具有刻蚀结构的单缝金属薄膜的透射性能。发现和无限大的单缝金属薄膜类似，有限大薄膜的透射光具有较好的束缚性，通过场分布可以预测，当刻蚀结构为等周期的时候，两个透射峰的出现来源于表面结构和单缝结构。通过改变几何结构我们证明了推测的正确性。此外，我们还改变了单缝两边的每个周期长度为不同，发现我们所推测的由表面结构产生的透射峰发生分裂，分别对应不同的周期长度。