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色散特性材料结构的光传输研究

陈跃刚  
【摘要】: 近年来,基于特殊色散材料,特别是金属材料的微纳结构的光学特性吸引了人们的广泛关注。例如,在金属膜上构筑亚波长的小孔阵列,在特定的波长照射下,其小孔面积归一化的透射率达到2-3。将具有正负折射率的介质周期交替排列形成的一维光子晶体具有新的特征,其产生的禁带不受随机误差影响、对入射角和偏振态不敏感。这些色散介质构成的微纳结构所体现的新特性为设计和制作更小尺度的光学元件提供了新的思路。此外,这些特殊色散材料构成的微纳结构与电磁波相互作用的机理仍不清楚,还需要进一步的阐释和说明。本论文针对这些问题开展研究,主要成果如下: 利用二维时域有限差分方法研究了金属薄膜上周期性狭缝的透射特性,给出了透射谱与狭缝参数的关系。通过研究具有三明治结构的狭缝,考察了金属狭缝内壁对透射特性的影响,发现透射峰的位置会随着金属内壁的改变而变化。通过利用其它介质填充狭缝,发现填充介质会增加狭缝的有效折射率,使得透射峰向长波长方向移动。利用波导共振理论可以很好地解释狭缝的透射特性。 应用三维时域有限差分方法研究金属薄膜上亚波长小孔阵列的透射特性,给出了小孔尺寸、衬底折射率、小孔内介质的折射率、薄膜的厚度以及入射角对透射谱的影响。对填充介质可以进一步提高透射的现象给出了理论解释:填充介质一方面使小孔的有效孔径增大,导致了透射率进一步增加;另外一方面提高了波导模的截止波长,使波导模红移进入表面等离子体共振区,波导模共振和表面等离子体共振共同作用提高了透射率。 研究了三维厚金属板上的亚波长小孔阵列的吸收特性。给出了吸收模随小孔长宽比、阵列周期以及小孔深度改变的变化规律。通过对吸收峰对应的近场电磁场分布得分析,得到了器件吸收能量的物理学机制,即表面等离子共振和局域增强将入射波的能量转化为表面等离子体的能量,然后转化为焦耳热被金属吸收。 利用传输矩阵方法研究了用四种介质(负折射率介质、负μ介质、负介质和正折射率介质)交替排列组成四种新的光子晶体的透过率特性。通过研究入射角和介质层厚度比对禁带的影响发现这些由色散材料构成的光子晶体的禁带对厚度尺度不敏感。当在这些色散光子晶体中间引入缺陷层后,在新禁带中出现了缺陷模。论文还给出了缺陷模随缺陷层厚度、入射角和光子晶体厚度尺度变化的规律。这些光子晶体的禁带和缺陷模表现出特殊的性质,不同于常规光子晶体的禁带和缺陷模。


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