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表面等离子体光子器件的研究

崔艳霞  
【摘要】:表面等离子体技术研究的是金属亚波长结构表面支撑电子疏密振荡波,近年来,该技术已经发展成为研究的热门方向。虽然表面等离子体波已经在数十年前起就被广泛关注,但是受益于纳米加工技术和电磁模拟手段的迅猛发展,该学科又赢得了新的发展动力。因为表面等离子体波可以突破衍射极限对光子的操纵,因此近期的很多工作都致力于基于该技术来实现对传统发光器件、激光器、传感器和太阳能电池等器件的小型化,尽可能在纳米尺度范围内研发出新一代的产品。在本论文中,我们研究了一些表面等离子体的基本光子器件,深入到了超常透射、光场分布操控和薄膜吸波材料三个方面。 首先,在超透射的研究领域,本论文指出了前人所做的关于沟槽阵列增强纳米狭缝超透射现象的机理解释是错误的,该理论认为透射的极大值发生在入射光与沟槽产生的表面波相长干涉的时候。通过研究论证,我们推翻了其解释,并给出了正确的物理机制,我们认为当沟槽的深度不是很浅时,沟槽产生的表面波是决定透射效果的主要因素。我们还提出将金属小条放置在金属薄膜上方一定距离处,得到一个水平光学谐振腔天线,该天线可以高效地捕获入射光并用来增强纳米狭缝的超透射效果。研究指出狭缝的开口位置应该位于水平腔内场强较强的位置以保证较高的透射率。在这个工作的基础上,我们将谐振腔天线的数目从单个扩展到多个,提出了使用光学谐振腔天线阵列来增强单个纳米狭缝的超常透射效果的新机制。 第二,在光场分布的操控领域,我们利用周期性金属纳米结构得到一种沿传播方向不变的出射光场分布,即光学窗帘效应。形成这种特殊光场分布的物理原因可以通过空间域和波矢域建模进行解释。特别地,我们通过金属小条对相邻的金属狭缝的入射光条件进行控制,使得它们满足强度相同、相位有π的差别的条件。为了减小反射,我们对此结构进行修正,使原始的金属小条光学天线腔阵列变为U形状光学天线腔阵列,修正后结构的透射效率可以达到700%,并在出射空间仍然保持原来的光学窗帘效应。 第三,我们介绍了在克服薄膜光子吸波材料吸波带宽有限方面的四个设计工作。第一个设计通过对传统T沟槽光栅进行修改,既保持了原有的沟槽振荡模式,同时通过特殊的方法引入了横向相位共振,使原来效率适中的一个吸收峰分裂为两个效率均高于90%的吸收峰。第二个方案是把金属小条阵列放置在一个金属沟槽阵列上方距离120 nm的位置处,构成一个双层结构,该结构在三个波长处有90%以上的透过率,原因是其可以同时支撑三种不同模式的共振,如金属小条共振模式、金属沟槽模式和金属小条与金属沟槽表面构成的水平腔共振模式。第三种吸波体是将不同尺寸的金属纳米腔天线集中在同一个单元周期内,因为不同尺寸的共振单元在不同的波长处实现有效吸波,所以它们的集合体就是一个宽带的吸波效果。通过在实验中对天线的宽度差进行研究,测量所得的实验谱清楚地显示吸波带宽可以通过此方法被有效地展宽。最后提出的一种吸波体是周期性排列的梯形各向异性人工介质波导,实际当中由金属与介质的交替材料构成。计算可知,三层介质-各向异性-介质波导可以激发群速度为零的慢波模式。 最后,总结了全文,并对未来的研究提出了展望。


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