亞波長(zhǎng)MIM等離激元波導(dǎo)中光波的傳播與調(diào)控.pdf

1、表面等離極化激元（SPPs）是一種沿著金屬和介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ?，由自由電子和電磁?chǎng)相互作用產(chǎn)生的電子疏密波。它具有一系列的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)，例如局域電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)電磁波的亞波長(zhǎng)束縛，非線性增強(qiáng)等等。由于spp沿著金屬和介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑?，在金屬和介質(zhì)上縱向傳播的時(shí)候SPPs會(huì)呈指數(shù)衰減，因此，設(shè)計(jì)合適的金屬微結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控。因其獨(dú)特的性能而被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)透射，負(fù)折射率材料，超分辨率成像，生物傳感等方面。隨著超構(gòu)材料的加工和制備技

2、術(shù)以及理論數(shù)值模擬分析手段的發(fā)展，越來越多的亞波長(zhǎng)等離激元器件得到理論上的分析和實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。和傳統(tǒng)的，受到衍射極限限制的光學(xué)器件相比，等離激元器件在尺寸上可以達(dá)到亞波長(zhǎng)的微納量級(jí)。在這些器件中，對(duì)表面等離激元波起到束縛和引導(dǎo)作用的是各種類型的波導(dǎo)，例如金屬納米陣列結(jié)構(gòu)，矩形槽波導(dǎo)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，V型槽波導(dǎo)，MIM波導(dǎo)等。在眾多波導(dǎo)中，MIM波導(dǎo)由于更好的束縛效果，模式尺寸小，傳輸損耗小和易于加工等優(yōu)點(diǎn)而得到了眾人廣泛的研究，理論上研究

3、MIM波導(dǎo)的傳輸特性以及對(duì)其進(jìn)行調(diào)控具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了基于MIM波導(dǎo)的周期型微納光學(xué)器件，通過數(shù)值分析的方法來討論這些結(jié)構(gòu)的電磁波傳播特性。
　　本文的主要工作和研究成果可以簡(jiǎn)單歸結(jié)如下：
　　1、首先在MIM波導(dǎo)中加入單個(gè)U型開口金屬諧振環(huán)，研究金屬開口環(huán)和波導(dǎo)的各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的透光性造成的影響，經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)的共振波長(zhǎng)隨著開口金屬諧振環(huán)臂長(zhǎng)增大而呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象；若增寬MIM波導(dǎo)，則波導(dǎo)中的共振趨于一個(gè)恒定的共振。<

4、br>　　2、在波導(dǎo)中再次加入一個(gè)諧振環(huán)形成一字排列雙諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中兩耦合共振會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式。隨著兩個(gè)諧振環(huán)間距逐漸增大，兩個(gè)透射谷逐漸重合在一起，直至形成一個(gè)透射谷。
　　3、將結(jié)構(gòu)做成周期排列的U型金屬開口環(huán)，發(fā)現(xiàn)周期型MIM波導(dǎo)的透射光譜呈現(xiàn)出了兩個(gè)帶隙，隨后我們探究了波導(dǎo)各參數(shù)對(duì)帶隙的影響：減小諧振環(huán)的排列周期可以使布拉格帶隙向短波長(zhǎng)藍(lán)移；若增加諧振環(huán)的臂長(zhǎng)，兩個(gè)透射禁帶會(huì)呈現(xiàn)一同向短波

5、長(zhǎng)藍(lán)移的性質(zhì)；增大MIM波導(dǎo)的寬度可以使兩個(gè)帶隙的寬度變窄。
　　4、隨后我們針對(duì)周期型MIM波導(dǎo)進(jìn)行了改變，做成了一大一小雙U型諧振環(huán)排列的周期結(jié)構(gòu)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的透射光譜分析，我們發(fā)現(xiàn)：在該結(jié)構(gòu)中也出現(xiàn)了雙帶隙，局域共振帶隙會(huì)隨著長(zhǎng)U型諧振環(huán)的臂長(zhǎng)增長(zhǎng)而向長(zhǎng)波長(zhǎng)紅移；改變短U型諧振環(huán)的底部寬度可以使左側(cè)帶隙的線寬變寬，并使兩個(gè)帶隙共同出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象；改變波導(dǎo)中的空氣介質(zhì)寬度會(huì)使兩個(gè)帶隙向高頻波段略微移動(dòng)，同時(shí)縮短帶隙寬度。