表面等離子體光子器件的研究.pdf

1、表面等離子體技術(shù)研究的是金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面支撐電子疏密振蕩波，近年來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為研究的熱門(mén)方向。雖然表面等離子體波已經(jīng)在數(shù)十年前起就被廣泛關(guān)注，但是受益于納米加工技術(shù)和電磁模擬手段的迅猛發(fā)展，該學(xué)科又贏得了新的發(fā)展動(dòng)力。因?yàn)楸砻娴入x子體波可以突破衍射極限對(duì)光子的操縱，因此近期的很多工作都致力于基于該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)光器件、激光器、傳感器和太陽(yáng)能電池等器件的小型化，盡可能在納米尺度范圍內(nèi)研發(fā)出新一代的產(chǎn)品。在本論文中，我們研究了

2、一些表面等離子體的基本光子器件，深入到了超常透射、光場(chǎng)分布操控和薄膜吸波材料三個(gè)方面。
　　 首先，在超透射的研究領(lǐng)域，本論文指出了前人所做的關(guān)于溝槽陣列增強(qiáng)納米狹縫超透射現(xiàn)象的機(jī)理解釋是錯(cuò)誤的，該理論認(rèn)為透射的極大值發(fā)生在入射光與溝槽產(chǎn)生的表面波相長(zhǎng)干涉的時(shí)候。通過(guò)研究論證，我們推翻了其解釋?zhuān)⒔o出了正確的物理機(jī)制，我們認(rèn)為當(dāng)溝槽的深度不是很淺時(shí)，溝槽產(chǎn)生的表面波是決定透射效果的主要因素。我們還提出將金屬小條放置在金屬薄膜上方

3、一定距離處，得到一個(gè)水平光學(xué)諧振腔天線(xiàn)，該天線(xiàn)可以高效地捕獲入射光并用來(lái)增強(qiáng)納米狹縫的超透射效果。研究指出狹縫的開(kāi)口位置應(yīng)該位于水平腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的位置以保證較高的透射率。在這個(gè)工作的基礎(chǔ)上，我們將諧振腔天線(xiàn)的數(shù)目從單個(gè)擴(kuò)展到多個(gè)，提出了使用光學(xué)諧振腔天線(xiàn)陣列來(lái)增強(qiáng)單個(gè)納米狹縫的超常透射效果的新機(jī)制。
　　 第二，在光場(chǎng)分布的操控領(lǐng)域，我們利用周期性金屬納米結(jié)構(gòu)得到一種沿傳播方向不變的出射光場(chǎng)分布，即光學(xué)窗簾效應(yīng)。形成這種特殊光場(chǎng)

4、分布的物理原因可以通過(guò)空間域和波矢域建模進(jìn)行解釋。特別地，我們通過(guò)金屬小條對(duì)相鄰的金屬狹縫的入射光條件進(jìn)行控制，使得它們滿(mǎn)足強(qiáng)度相同、相位有π的差別的條件。為了減小反射，我們對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，使原始的金屬小條光學(xué)天線(xiàn)腔陣列變?yōu)閁形狀光學(xué)天線(xiàn)腔陣列，修正后結(jié)構(gòu)的透射效率可以達(dá)到700％，并在出射空間仍然保持原來(lái)的光學(xué)窗簾效應(yīng)。
　　 第三，我們介紹了在克服薄膜光子吸波材料吸波帶寬有限方面的四個(gè)設(shè)計(jì)工作。第一個(gè)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)T溝槽光

5、柵進(jìn)行修改，既保持了原有的溝槽振蕩模式，同時(shí)通過(guò)特殊的方法引入了橫向相位共振，使原來(lái)效率適中的一個(gè)吸收峰分裂為兩個(gè)效率均高于90％的吸收峰。第二個(gè)方案是把金屬小條陣列放置在一個(gè)金屬溝槽陣列上方距離120nm的位置處，構(gòu)成一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在三個(gè)波長(zhǎng)處有90％以上的透過(guò)率，原因是其可以同時(shí)支撐三種不同模式的共振，如金屬小條共振模式、金屬溝槽模式和金屬小條與金屬溝槽表面構(gòu)成的水平腔共振模式。第三種吸波體是將不同尺寸的金屬納米腔天線(xiàn)集中在同