亞波長金屬光學天線的設計及分析.pdf

1、自Ebbesen等人報道了金屬薄膜上亞波長孔洞陣列的光超強透射現象后，由于其潛在的物理機理和新穎的應用，人們開始對納米級尺度金屬結構系統(tǒng)的光學特性產生了極大的興趣。由于早期的實驗是在金屬薄膜上打孔來研究這種透射現象的，所以Ebbesen等人把這種奇特的現象歸因于表面等離子體的產生。但是也有其他的研究人員提出不同的解釋機理。比如基于周期的縫和洞陣列的動力學衍射理論，以及一維縫和縫陣列中的諧振腔模式理論。Gay等人應用新的數值研究方法和測量

2、方法，重新分析了以前實驗中的數據，提出了一個新的模型，叫做復合衍射瞬逝波模型。但是，直到現在，也沒有一個確定的結論來解釋這個超強的光透射現象。亞波長金屬孔洞陣列超強透射特性的物理本質的揭示將有助于人類更進一步地利用此光學特性。 盡管如此，通過掌控金屬表面產生的表面等離子激元的傳播，發(fā)現了許多有實用價值的光學現象，比如形成光束、聚焦、分束和導光，這些光學現象已經被理論上預見并在試驗中被觀察。同時，基于表面等離子體的納米光子元器件，

3、比如波導、透鏡、反射器和光束分離器已經被提出可以實現。 基于目前對SPP物理機理和光學元器件的設計兩方面的研究，本文分別從這兩方面入手，一方面試圖用數值模擬的理論實驗出發(fā)，尋找產生這一奇異現象的物理本質；另一方面，由于SPP的超強透射和準直光束的特點，本文設計了一種復合結構用以實現小尺寸廣角光學天線。主要工作如下： 一、應用嚴格的電磁場數值計算方法分析了光和單個不同半徑金屬納米微粒的相互作用，并且研究了光和耦合金屬納米微

4、粒的相互作用。數值仿真結果顯示：單個微粒與入射光相互作用時，隨著金屬微粒半徑的變化，諧振波長將發(fā)生改變。光與耦合微粒相互作用時，隨著入射光角度的不同，相應的諧振波長和諧振場分布會發(fā)生變化。這些結果將有可能在光通信技術、集成納米光子學和納米級光學中得到應用。同時局域場的增強可以應用于表面增強拉曼光譜學實驗和單個分子的探測。 二、研究了一個縫結構和一個納米微粒耦合的聚焦光特性。其中縫結構是由一邊有光柵結構的金屬薄膜組成，而納米金屬微

5、粒置于縫的頂端。數值仿真結果顯示：在縫結構的另一端形成了很好的聚焦光束。因為這種結構可以實現對于給定波長的光的接收和發(fā)射功能，所以此系統(tǒng)可以應用于微型化的光學天線的設計。潛在的應用包括耦合光進入光纖并從光纖中導出光波。也可應用在微型化的光源設計中。 三、研究了一個有限結構中通過縫和微粒的耦合來實現聚光效應。 四、應用一個縫槽結構來說明由槽結構產生的表面波沿著表面?zhèn)鞑ネㄟ^縫后的傳播特性。試圖對SPP的物理機理進行初步研究。