納米尺度周期性金屬結(jié)構(gòu)異常光傳輸現(xiàn)象的FDTD數(shù)值分析.pdf

1、近二十年來，隨著納米科技的發(fā)展和近場光學(xué)顯微鏡的發(fā)明，光電子領(lǐng)域正經(jīng)歷一場前所未有的巨大變革，新的交叉學(xué)科和研究方向不斷涌現(xiàn)。金屬材料由于其獨特的物理特性引起了人們越來越多的關(guān)注，并開創(chuàng)了一個全新的研究學(xué)科：等離激元學(xué)。由于金屬的介電系數(shù)在可見光和紅外波段為負(fù)數(shù)，當(dāng)光波照射到金屬和電介質(zhì)的交界面時會引發(fā)一種獨特的表面波傳播現(xiàn)象：電磁場被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強，這就是表面等離激元現(xiàn)象。由于表面等離激元對于材料、光波的入射角度

2、和波長十分敏感，它已經(jīng)在生物、化學(xué)檢測領(lǐng)域大量應(yīng)用。近年來，表面等離激元(SPP)由傳統(tǒng)的檢測領(lǐng)域向光波導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)展已成為新的趨勢。由于表面等離激元的強局域特性可以突破衍射極限、減小拐角散射并且在納米尺度上進(jìn)行傳播，有可能制造出亞波長的光學(xué)器件并實現(xiàn)電路與光路的一體化。另外周期性放置的金屬結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)間電磁波的相互作用，在適當(dāng)?shù)臈l件下透光效果大大增強，甚至?xí)@得大于1的透光效率。光子晶體與金屬材料的結(jié)合為人們控制光和傳導(dǎo)光提供了新的思路。

3、 由于光學(xué)器件的制造是一件十分費時、費力而且昂貴的過程，人們希望通過理論分析和數(shù)值仿真來加速設(shè)計過程和降低開發(fā)成本。無論是光子晶體還是納米金屬結(jié)構(gòu)都具有很復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)無法應(yīng)用解析方法對Maxwell方程組進(jìn)行精確求解。因此，用數(shù)值方法對Maxwell方程組進(jìn)行精確求解就變得勢在必行。時域有限差分(FDTD)方法在微波和光學(xué)仿真中被大量應(yīng)用。由于FDTD方法直接基于Maxwell方程組，各個參量都具有明確的物理意義，因

4、此FDTD仿真結(jié)果是非常精確的。同時，F(xiàn)DTD方法的時域遞推特點可以方便的給出電磁場的時間演變過程，并且在計算機上用偽色彩的方式顯示，這種電磁場的可視化清楚的顯示了物理過程，便于分析和設(shè)計。理論上只需要設(shè)置空間各點的參數(shù)，就可以構(gòu)造任意形狀、任意材料的目標(biāo)，具有很強的通用性。 本論文首先對FDTD算法中幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論，對修正Drude模型的FDTD時域迭代公式進(jìn)行了改進(jìn)，并將該算法應(yīng)用到周期性納米金屬顆粒結(jié)構(gòu)異常光傳輸(

5、EOT)的FDTD仿真分析；然后在分析金屬結(jié)構(gòu)電磁波傳播的基礎(chǔ)上將波導(dǎo)陣列方法引入EOT研究，并結(jié)合FDTD仿真對一維金屬平板狹縫陣列中的電磁波傳播情況進(jìn)行了詳細(xì)討論。本論文的主要內(nèi)容如下： 1.在論文的第一章對研究背景和數(shù)值仿真方法作了簡單介紹。 本章首先介紹了光子晶體和表面等離激元的概念以及EOT的研究進(jìn)展情況。然后簡要介紹了目前光器件仿真中常用的四種數(shù)值分析方法：有限元法、平面波展開法、光束傳播法和時域有限差分法，并比較了

6、各種方法的優(yōu)缺點。最后對金屬材料的色散模型進(jìn)行了介紹。 2.在論文的第二章詳細(xì)討論了FDTD方法中的幾個關(guān)鍵問題，并對金屬色散模型的(FD)2TD算法進(jìn)行了改進(jìn)。 在本章的開始部分對FDTD基本算法進(jìn)行討論。首先介紹了非色散介質(zhì)的FDTD算法的中心差分迭代公式，然后對論文中涉及到的FDTD算法中的PML吸收邊界條件、周期性邊界條件、激勵源的設(shè)置、近-遠(yuǎn)場變換和數(shù)值穩(wěn)定性等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了討論。在本章的第二部分對金屬色散模型

7、的兩種FDTD實現(xiàn)方法進(jìn)行了討論。并在Lubbers的一維等離子體Drude模型(FD)2TD算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，應(yīng)用于針對金屬材料的修正Drude模型，并將該算法擴展到二維TM、TE模式以及三維模式。 3.在論文的第三章應(yīng)用FDTD方法對金屬顆粒及組合結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行了分析。 本章首先介紹了金屬材料的光學(xué)性質(zhì)，討論了SPP的激發(fā)條件和實現(xiàn)方法。然后討論了納米金屬顆粒的局域化表面等離激元現(xiàn)象，并對金屬顆粒組合結(jié)構(gòu)

8、的近場和遠(yuǎn)場特性進(jìn)行了研究。接下來對金屬球殼及其陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸和入射波長，金屬球殼陣列構(gòu)成的共振腔中的電磁振蕩將隨之發(fā)生改變?？梢酝ㄟ^選擇合適的參數(shù)來改變金屬球殼陣列共振腔中的電磁場分布，進(jìn)而達(dá)到操縱光的目的。本章還仿真分析了金屬球殼上的缺陷結(jié)構(gòu)對球殼光學(xué)特性的影響，仿真顯示由于缺陷結(jié)構(gòu)改變了球殼上的電荷分布，使其光學(xué)特性也發(fā)生了很大的變化，更多的局域化表面等離激元(LSP)模式被激發(fā)出

9、來。在本章的最后對FDTD仿真中的“偽增強效應(yīng)”進(jìn)行了討論。 4.在論文的第四章首次將波導(dǎo)陣列方法應(yīng)用于金屬平板狹縫陣列的異常光傳輸研究，并用FDTD方法進(jìn)行了驗證。 本章首先簡要介紹了當(dāng)前主流的EOT理論：表面等離激元耦合理論和復(fù)合衍射消逝波模型理論以及法布里-珀羅共振模型理論。然后將波導(dǎo)陣列方法引入金屬平板狹縫陣列的異常透射現(xiàn)象研究。在分析了波導(dǎo)共振增強條件和波導(dǎo)間的電磁耦合后提出了計算異常透射波長的公式，并應(yīng)用FD

10、TD仿真方法對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明波導(dǎo)陣列理論可以比較好的描述EOT的激發(fā)原理，同時發(fā)現(xiàn)EOT在不同波段的激發(fā)機理截然不同：在波長較長時，EOT主要是由狹縫中的共振增強引起的；在波長與SPP共振波長相同時，EOT則是由金屬-介質(zhì)交界面上的SPP共振導(dǎo)致；當(dāng)結(jié)構(gòu)同時滿足第一種和第二種增強條件時同樣會激發(fā)EOT，這種混雜模式的電磁場分布更加復(fù)雜。本章進(jìn)一步研究了介質(zhì)襯底對結(jié)構(gòu)近場和遠(yuǎn)場特性的影響，仿真表明襯底對結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性有較大的