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纳米结构近场光波的时域有限差分法研究

谭玉贵  
【摘要】: 纳米金属结构中表面等离子体(Surface Plasmons)效应及其应用越来越受到人们的关注。通过表面等离子体激元的产生,可获得亚波长范围内光能量的聚集与释放,实现亚波长限度内光波的控制。这对由此引出的纳米光子学器件如纳米天线、亚波长成像和超分辨透镜等的原理与设计有重要基础地位和学术意义。因此表面等离子体激元的研究成为倍受关注的重要热点前沿领域,并形成了新的光学分支学科——表面等离子体激元亚波长光学。纳米金属缝及其周期结构的光波传播规律是表面等离子体激元研究中的基本问题,作为纳米结构的简单模型,一维单缝的近场研究具有重要的基础意义。 本文利用适用于金属的二维色散时域有限差分法(2D-Dispersive FDTD Method),重点研究了金属Ag边界处电磁场的连续性问题,对比了理想导体与实际金属的不同;数值模拟了一维单缝的透射场以及透射光谱,获得了单缝的透射异常现象,全文内容共分五章。 第一章主要介绍了课题的研究背景,简单概述了表面等离子激元在近场光学中的应用。 第二章介绍了时域有限差分法(FDTD)的特点以及基本原理,讨论了时域有限差分法数值解的稳定性以及时间步长与空间步长的关系,给出了时域有限差分法中目前常用的完全匹配层(PML)吸收边界条件。 第三章针对金属的负折射率特性,通过引入洛伦兹(Lorentz)色散模型,自主编制了色散FDTD计算程序,并使金属边界电磁场满足连续性。 第四章利用色散的FDTD计算程序数值模拟了纳米金属Ag单缝的透射光场,研究了纳米单缝的透射谱分布,对异常现象给出相应的物理解释。 第五章总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。


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