基于表面等离子体与周期性结构的电磁场调控的研究

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在亚波长光学领域，按照人为意愿控制电磁波在纳米金属结构中传输是学术界和技术应用领域长期关注的一个重要问题。表面等离子激元(Surface PlasmonPolariton，SPP)为人们控制光和传导光提供了一种新思路。在基于表面等离子体激元的纳米结构体系的研究中，发现了许多新现象。光照射在具有亚波长周期性孔阵列的金属薄膜上时，产生了超强光透射现象(EOT)，后又有利用亚波长周期性结构阵列应用在光束整形、电磁波吸收等方向。本论文在国内外现有研究的基础上，运用时域有限差分法(FDTD)、有限元分析法(FEM)、严格耦合波分析(RCWA)等经典数值算法，结合表面等离子体光子学及电磁场相关理论，研究了周期性亚波长金属/介质结构的特殊纳米光子学现象，引入了结构因子和材料因子，设计新的光学准直器、完美吸波结构，并在各自领域突破了之前的一些局限性。本文的设计丰富了微纳光学结构的调控与应用手段，提出了新的准直调控、电磁场吸波结构，并分析了其物理机制，探索了一些可能产生的新应用。
　　论文内容主要包括以下几个方面:
　　本文第一章首先回顾了表面等离子体的基本特性，并且结合周期性微结构能够达到人们对于光束控制的特点确立课题基本思路和核心——基于SurfacePlasmon和周期性结构的纳米技术调控电磁场辐射、吸收特性。周期性微结构又可以分为金属光学结构和介质光学结构。目前热门的表面等离子体、光子晶体、纳米波导阵列问题都是围绕着周期性结构而展开。
　　第二章具体研究了利用周期性的光栅结构实现对电磁波的辐射场调控——准直效果。首先重复了前人将金属光栅置于单层金属薄膜基底上的准直结构，观察其对高斯光束的辐射场准直特性。其次通过引入多层金属/介质Metamaterial作为基底的周期性金属光栅，对比与前者的差异。研究发现，引入了多层膜基底以后，在整体结构的效率、远场发散角、工作带宽等指标方面都有很大的提升。在经典的单层金属膜薄基底的结构中，对入射波长非常敏感，是一个窄带器件。而本文的设计可以良好实现50nm的宽带准直，并且始终保持较小的远场辐射角。利用SPPs准直效应制成组件或回路，可实现LD器件中方向性准直，研发优良性能的新型光源，超远距离激光测距等方面的技术突破。
　　第三章，研究了利用金属薄膜表面放置周期性介质光栅的电磁场调控特性，主要考察其对电磁场的吸收能力。该设计利用了介质光栅和金属薄膜的相互作用，及光栅波导内的局域共振特性。在不同情况下，吸波机理、特性不尽相同:小填充率光栅模型可以在垂直入射时实现完美吸波（100％的吸收率），随着入射角度的不同，吸收峰会产生漂移。主要的吸收机制是光栅的周期性共振。而大填充率光栅模型不但可以实现垂直入射的完美吸波，而且在参数优化后可以确保大角度的高效率吸收。在入射角度为50度时，对TM波的入射效率仍然保持在95％以上。这种大角度、高效率的新颖吸收结构制作工艺相对简单，成本低廉，具有很强的实用性。针对该设计，本章还进行了相应的实验验证和探索，对相关的制作工艺与检测光路的搭建做了详细的阐述。
　　第四章在第三章的基础上，进一步延拓和深入。第一次提出了将介质光栅设计成为slot波导阵列放置在金属基底上以增强吸收性能。在TM偏振下，能同时激发SPP和slot波导模式，使在介质纳米线内激发出更多的hotspot。结合介质光栅本身固有的衍射和散射，完美实现了一个宽带(300～1400nm)、广角(0～80°)、高效(＞90％)的吸波器结构。目前的设计是基于2D。事实上，拓展为3维结构也是可行的，对不同的偏振都有很好的吸波效果。

著录项

作者
张锋;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名沈建其,金毅;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类等离子体物理的应用;电磁波与电磁场;
关键词
表面等离子体激元; 周期性结构; 电磁场调控; 准直效应; 吸波器; 介质光栅;

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