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《中南大学》 2012年
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金属纳米结构的表面等离子体共振特性研究

吴金军  
【摘要】:表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)是由金属表面自由电子和光子相互作用而形成的沿金属表面传播的电子疏密波。在一定条件下金属纳米结构中会发生表面等离子体共振,从而使其具有特殊的光学特性,如高局域性,高强度,超强光透射等。在纳米光学,光电子学等学科中有广泛的应用,例如,可以制作光学滤波器,光开关,耦合器,光学天线等。本文重点研究了几种金属纳米结构的共振特性,调控机制及相关的应用。 本文的研究工作主要包括以下三个方面: 1、提出Y形通道的金属狭缝阵列并利用FDTD方法数值模拟了其透射特性。结果表明:当入口狭缝变窄时,表面等离子体共振峰基本保持不变,而局域波导共振峰明显红移且峰值下降,但是当狭缝变的非常狭窄时,表面等离子体共振峰剧烈的红移且峰值下降。同时随着狭缝长度的增加,表面等离子共振峰首先劈裂为两个峰,然后右侧峰缓慢上升,最后两个峰会聚为一个峰。使用表面等离子共振和Fabry-Perot腔共振理论对其物理机制进行了解释,同时模拟了该结构的电场分布图,发现当狭缝变窄或则填充介质的介电常数变小时,结构中的电场会相应地增强。这些结果可用来设计滤波器和其它光学器件。 2、提出直通道一侧有垂直凹口的金属狭缝阵列并利用FDTD方法研究了其透射特性,结果表明:在我们考虑的波长范围内共存在四个高阶F-P模共振峰。与光滑的直通道相比,狭缝中部的凹口使得奇数的F-P模的共振峰红移,而是偶数的F-P模的共振峰蓝移。增大凹口的宽度和深度其影响与上类似,且透射谱对狭缝深度比对狭缝宽度更为敏感。同时基于波峰对应波长处的电磁场分布图来解释模拟结果,最后研究了凹口内填充介质时透射特性的变化。其结果有助于设计光学开关等光学器件。 3、提出金属对顶三角形周期性光学纳米天线阵列并利用FDTD方法研究了其光学特性。结果表明:对顶三角形形状的纳米天线阵列除了带隙右侧的共振峰外,在可见光区域还有一些规则的共振峰。上下三角形的顶角处有增强的电场,呈电四极子分布,电四极子的电荷振荡是局域近场电磁辐射的来源。随着左右三角形底边间隙d的增大,左侧共振峰位置保持不变,但是峰值减小,直到d=25nm时消失。而右侧的一系列共振峰缓慢向长波长处移动且峰值减弱,在左侧留下较宽的带隙。最后研究了介质环境介电常数£变化对天线透射特性的影响。这对于设计光学纳米天线有着积极的指导作用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN25

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