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亚波长金属结构中表面等离子体调控机理及应用研究

闵长俊  
【摘要】: 本论文的研究工作是在国家重点基础研究发展规划项目No.2006CB302905,国家自然科学基金项目No.60736037、No.10474093等项目的资助下完成的。主要运用二维非线性时域有限差分法(FDTD),研究了亚波长金属结构中表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)相关调控机理和应用:通过构造不同结构参数,分析了SPs等多种光学模式对亚波长金属结构中异常透射现象的作用机理,提出了金属表面位相是影响光学模式和透射的重要因素;引入非线性效应实现了亚波长金属结构中光束偏折、聚焦、分束等现象的动态调控;研究了非线性光学材料复合亚波长金属结构的光学双稳态特性,设计了一个基于光学双稳态的亚波长高速全光开关结构。 本论文主要的研究工作和成果如下: 1.结合二维时域有限差分法数值模拟软件,通过构造不同结构参数,研究了SPs、复合衍射衰逝波(CDEW)、腔模(CM)等多种光学模式对亚波长金属结构中透射增强和削弱现象的影响,分析了它们各自不同的作用机理,明确了结构参数对这些光学模式的影响和对远场透射的调控规律,提出了金属表面位相是影响光学模式和透射的重要因素。利用结构参数对SPs的调控,实现了亚波长结构中光束单向透过的功能,得到了47.83dB的最大消光比,在光信号的通讯和处理等方面有重要的应用前景。 2.运用非线性时域有限差分法数值模拟软件,研究了与非线性光学材料复合的亚波长金属结构中,三阶非线性光学效应的引入对SPs色散关系、激发、耦合、传播等物理过程的影响。通过结构设计和优化,实现了对光束偏折、聚焦、分束等现象的动态调控,得到了较大范围的的偏折角度调控(偏折角8°-24°)和焦点位置调控(调控范围在1μm以上),在近场探测与光刻、SPs天线扫描、纳米集成光学等领域都有广阔的应用前景。 3.研究了非线性材料复合亚波长金属结构的光学双稳态效应,探索了非线性材料厚度、光栅狭缝宽度等结构参数对远场透射和双稳态效果的影响,运用SPs特性和金属波导理论分析了其中的物理机理。在此基础上设计了一个基于光学双稳态的高速亚波长全光开关结构,研究了该开关结构的远场透射、双稳态和时间响应特性,得到了0.2ps的最快开关时间。 本论文的创新点主要包括: 1.通过构造不同亚波长金属结构,研究了SPs、CDEW、CM等不同光学模式在异常透射现象中各自不同的作用机理,提出了金属表面位相是影响光学模式和透射的重要因素。实现了亚波长结构中光束单向透过的功能,得到了47.83dB的最大消光比。 2.通过引入三阶非线性效应,实现了对亚波长金属结构中光束偏折、聚焦、分束等现象的动态调控,研究了相关的调控机理和调控手段,得到了较大的调控范围和明显的调控效果。 3.利用非线性FDTD方法研究了非线性光学材料复合亚波长金属结构的光学双稳态特性,并由此设计了一个亚波长高速全光开关结构,得到了0.2ps的最快开关时间。


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