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表面等离子体混合波导及超透镜仿真研究

石贞奎  
【摘要】: 表面等离子体谐振是电磁波在介质和金属表面相互作用的结果,并且可以形成一种金属表面波,称为surface plasmon polaritons(SPPs),在横向上可以传播几微米,在纵向上呈指数衰减。SPPs的特性使得近年来人们对纳米激光器、纳光子电路、超透镜的研究兴趣逐渐增加,并有许多相关的研究成果发表。 本文工作是利用SPPs的特性,将其应用在纳米激光器和超透镜等方向中,并对其进行仿真研究。对等离子体混合波导结构和等离子体透镜结构进行建模仿真,并对结果进行了分析和讨论。 本文首先对表面等离子体的产生及超透镜的原理做了简要的介绍。简要介绍了FDTD算法和仿真软件。 等离子体混合波导结构特性仿真及探讨。仿真了光束在纳金属介质混合波导结构中的传输特性。分别研究了波长范围从450nm到800nm的光束在CdS-MgF2-Si、CdS-MgF2-Au、CdS-Si及CdS-Au等不同材料构成的纳米波导结构中传输特性。对仿真结果进行了分析比较,可以看出在这种波导结构中表面等离子体对于波长为650nm的光在传输过程中有明显的限制(confinement)效应,它的作用类似于Fabry-Perot谐振腔,可用于实现超密度的纳米尺度的激光器。 最后我们分析基于椭圆孔结构的等离子体透镜模型。研究了不同极化状态的光源对该透镜聚焦效果的调制作用。该透镜是由纳米尺度的椭圆孔以可变的周期分布在透镜的径向上。我们用时域有限差分法分别计算和分析了极化状态为线性极化、椭圆极化、径向极化及圆柱矢量光束时的透镜模型及其聚焦特性。结果显示,不同极化状态的光源会产生不同的聚焦现象,而且该透镜可以增强透射并产生很强的聚焦效果。在不同极化状态下,聚焦光束的区域位置和强度分布都会有很大的不同。改变椭圆孔的参数δ=a /b(a,b分别为椭圆孔的短长轴)同样会影响该透镜的聚焦效果,并简要分析了极化状态为线性极化时的情况。


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