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《南开大学》 2017年
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表面等离激元塔姆态及其应用研究

牛林玉  
【摘要】:表面等离激元,由于其独特的空间尺寸压缩效应与局域场增强效应,发展成为纳米光子学研究领域中的一个重要分支。目前,表面等离激元被广泛应用于增强非线性、表面增强拉曼散射、表面增强荧光效应、纳米传感、全光回路、光通信与信息处理等方面。表面等离激元塔姆态,作为表面等离激元体系的一种新型塔姆共振模式,结合了表面等离激元与光学塔姆态的优势。本文利用阻抗匹配的传输矩阵方法与时域有限差分法,研究分析了基于金属-介质-金属(MIM)波导与介质-金属-介质(IMI)波导的表面等离激元塔姆态效应及其在纳米光场聚焦与光子集成方面的应用。本论文的主要工作与结果如下:(1)依据传输线理论,推导出了适用于周期性表面等离激元波导结构的阻抗匹配传输矩阵(TMM)。在2D阻抗模型基础上提出了可用于3D波导的阻抗近似表达式。同时,从麦克斯韦方程组中的旋度方程出发,分析了时域有限差分法(FDTD)解决电磁问题的主要思想。(2)设计出了基于空气隙MIM波导的表面等离激元塔姆态结构。通过在MIM波导内引入宽度周期性变化的布拉格反射器,借助空气隙耦合器,实现了自由光场的纳米聚焦与增益。无论是2D还是3D结构,空气隙耦合器均能实现自由光场与表面等离激元模式间的高效耦合,并且电磁场强度增益倍数均可达三个数量级,同时在电磁波传播方向与垂直电磁波传播方向上实现了场聚焦。相比于传统的表面等离激元V形聚焦波导,该结构在实验制备上也更加简易可行,可使用电子束光刻或聚焦离子束刻蚀直接制备。(3)利用IMI波导可以同时支持两类表面等离激元模式的优势,通过周期性改变IMI波导结构周围的介质材料,在波导末端激发出了两个独立的表面等离激元塔姆态。除了场增益效果的实现,该系统还可以用于光开关。当布拉格反射器的周期N=8时,共振波长1550 nm处实现的消光比为18.83。这对促进集成光子器件的发展和全光回路的实现发挥着重要作用。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN25

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