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等离激元波导传输特性及周期纳米结构光增强透射研究

张雪伟  
【摘要】:表面等离子体极化激元(SPPs)是在金属和介质交界面自由电子和光子的相互作用而形成的一种电荷密度波,其突破衍射极限的优势,为光子器件的小型化、集成化带来希望。SPPs突破衍射极限的特性使得在亚波长尺度操控光波成为可能,这也导致了许多光学效应得到显著增强,同时也产生了很多新奇的物理现象,如Fano共振、增强光透射、亚波长光局域增强等。本文主要釆用有限元方法(finite element method,FEM)和耦合模式理论(CMT),研究了表面等离激元波导的传输特性及亚波长金属狭缝、孔洞阵列结构光的增强透射特性。结合理论分析和数值仿真方法,对金属纳米谐振腔耦合金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)波导的一些特殊的光学特性进行了研究和分析,并利用新颖的光学特性设计出了具有应用前景的多种功能性的光子器件。主要工作如下:1.设计了金属-介质-金属波导耦合两种不同谐振腔结构的折射率传感器,采用FEM方法研究了结构的折射率传感特性,对产生的Fano共振效应进行了分析。此外,通过结构的优化和改变填充材料,灵敏度可高达1160 nm/RIU,相应的传感分辨率为8.62×10~(?5)RIU。研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和生物传感器方面的应用研究都具有一定的参考价值。2.提出了由纳米环腔耦合两个MIM波导结构的滤波器和传感器,通过对传输谱的研究,系统地分析了结构的滤波性能和传感特性。在传输光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系。通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值。同时,对复杂MIM波导结构的滤波特性运用传输线理论进行了分析,通过对结构优化所设计的滤波结构可用于电信波长的滤波。3.设计了两种楔形狭缝阵列结构及三角孔洞阵列结构,分析了结构的光学透射特性。结果表明:多层楔形金属狭缝结构可实现多个透射峰及红外波段的增强透射和宽频透射;嵌入矩形空腔的楔形结构可实现在狭缝出口局域场增强及广角度传输;对称三角孔洞阵列结构透射谱出现了新奇的双波峰现象。此外,对相应的结构参数变化对透射特性影响进行了详细分析。研究结果对光信号传输、宽带传输和近场光采集装置的设计具有一定的参考价值。


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