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金属薄膜—粒子(孔洞)复合结构的增强光透射现象及机理研究

胡莹  
【摘要】:表面等离激元(Surface Plasmon,SPs)是指金属表面上由于光子和自由电子相互作用所形成的一种沿金属表面传播的倏逝波,它沿着介质的分界面传播并在垂直于界面方向上以指数形式衰减。由于SPs只在金属和介质分界面纳米区域的很小范围内传播,这使它具有很好的局域特性,可以产生很多新奇的物理现象,并能够突破传统光学中的衍射极限来实现亚波长光学器件的集成。控制光和传导光等为设计新结构提供了新思路,因而备受大家的关注。在表面等离激元的研究系统的基础上,还可以产生很多新奇的物理现象。例如:光照射在周期性纳米孔阵列的金属薄膜上会产生的超强光透射现象(Extraordinary optical transmission,EOT)就是其中之一。这种新奇的现象在高集成光学电路,选择储存器、基于等离子体的全光信息处理技术等方面都具有潜在的应用。在国内外现有研究的基础上,我们使用时域有限差分法(Finite-difference time-domain method,FDTD)研究了金属薄膜-纳米颗粒(孔洞)的增强透射现象,通过改变结构的各项参数,来探索该现象背后的物理机理。其内容主要包括以下几点:(1)设计了一种新的等离子体增加透射现象的金属结构,该结构是由两层非密堆交错的球形银纳米粒子阵列和两层银薄膜共同构成的,在垂直光照射时产生增强透射现象。我们通过使用三维时域有限差分法计算了它的光学响应和电场强度分布,发现出现的双光谱传输带现象主要是由于相邻银纳米粒子之间的近场等离子体耦合作用、表面等离激元、双层粒子之间能量的转移等引起。与此同时,可调制的双谱光学透射特性可以通过介电常数、结构的几何参数的改变而发生显著的变化。这在光电集成电路、等离子体滤波器和传感器等方面将会有很大的潜在应用价值。(2)设计了一种新型的“H”型孔洞阵列金薄膜结构,研究了该结构的光学透射特性。光超常透射现象可以通过改变该结构的相邻孔的间距,单一孔径的宽度,金膜的厚度以及介电环境等来调制。该结构在高集成光电设备应用(如可调等离子体过滤器、传感器)中能够提供一个新型的可行的方法。


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