金屬亞波長狹縫及凹槽衍射的表面等離子體激元研究.pdf

1、由于近場光學突破了光學分辨極限，理論上可以無限縮小光學最小分辨尺寸和最小標記尺寸，因此對于近場光學的研究成為目前光學研究的熱點領(lǐng)域之一。近場光學研究距離物體表面波長量級范圍內(nèi)的光學現(xiàn)象，在近場范圍內(nèi)，光場包含了輻射場和倏逝波。倏逝波富含物體表面的亞波長結(jié)構(gòu)信息，所以倏逝波是研究近場光學的核心內(nèi)容。隨離開物體表面距離的增加倏逝波迅速衰減，不能向遠場傳輸。但如果用小于波長的小孔或顆?？拷矬w表面，可將倏逝波散射到遠場，從而實現(xiàn)物體表面的精細

2、結(jié)構(gòu)信息的測量。表面等離子體激元實際上是被局域在金屬表面的一種由光子與表面等離子體相互共振耦合而混合激發(fā)形成的電磁波，具有倏逝波的特征。
　　本文利用適用于理想導體和金屬的二維時域有限差分法，編制了Fortran程序數(shù)值模擬了TM平面波經(jīng)附加亞波長結(jié)構(gòu)的狹縫時透射光場的光強分布及透過率的演化曲線。本論文首先討論了改變附加在物體表面亞波長結(jié)構(gòu)的形狀和數(shù)量，對狹縫的透射光強分布的影響。然后研究了光經(jīng)帶有凹槽的狹縫時的異常透射現(xiàn)象，分析

3、了凹槽結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對透過率的影響。最后引入了Drude模型推導出適合Ag的時域有限差分迭代公式，并數(shù)值模擬了光經(jīng)Ag亞波長結(jié)構(gòu)的光強分布圖和透過率隨波長變化時的演化曲線。
　　全文內(nèi)容共分六章。
　　第一章主要介紹了課題的研究背景，簡單概述了表面等離子激元在近場光學中的應用以及透射增強的基本理論和發(fā)展現(xiàn)狀。
　　第二章介紹了時域有限差分法(FDTD)的基本原理以及特點，討論了時域有限差分法數(shù)值解的穩(wěn)定性條件以及時間步

4、長與空間步長的關(guān)系，并且通過解Maxwell方程組給出有限差分的迭代方程式。然后介紹了時域有限差分法中常用的完全匹配層吸收邊界。
　　第三章利用時域有限差分法模擬了TM平面波經(jīng)附加亞波長結(jié)構(gòu)的狹縫時透射光強的分布。首先討論了分別在物體表面附加正方形，半圓形或者三角形的亞波長結(jié)構(gòu)時，狹縫透射光強分布隨亞波長結(jié)構(gòu)形狀的變化。然后討論了隨著在狹縫兩側(cè)附加正方形亞波長結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加，光能夠沿正方形結(jié)構(gòu)傳播得更遠。
　　第四章把帶有凹

5、槽的亞波長狹縫結(jié)構(gòu)作為分析模型，模擬了在不同入射波波長以及不同結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)下，光經(jīng)狹縫時透過率的演化曲線。當TM平面波垂直照射理想導體亞波長狹縫時，透過率隨波長變化的演化曲線在入射波波長為450nm和1050nm附近出現(xiàn)峰值，當平面波垂直入射到帶有凹槽的狹縫時，透過率演化曲線除了上述兩個峰值處，在入射波波長為650nm附近處，透過率又出現(xiàn)了一個峰值，且只有當凹槽為長方形時能出現(xiàn)這一個峰值，凹槽為其他形狀時在這一波長段沒有出現(xiàn)峰值。然后分

6、別討論了透過率隨著凹槽寬度的增加其變化規(guī)律為先增大后減小，透過率隨著凹槽深度的增加也出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，透過率隨著狹縫到凹槽的距離以及相鄰凹槽的距離的增加沒有明顯的變化規(guī)律。最后通過時域有限差分法數(shù)值模擬了TM平面波垂直入射到帶有凹槽的亞波長狹縫結(jié)構(gòu)時的能流分布圖。并通過能量的角度給出相應的理論解釋，認為凹槽的存在實際上是改變了相應位置處能量的存儲和再釋放，從而影響了光的透過率。
　　第五章引入了Drude模型，編制適合金