二維金屬納米縫陣列的聚焦特性研究.pdf

1、表面等離子體激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)是由光和金屬表面自由電子相互作用所激發(fā)的一種特殊電磁場(chǎng)。它被強(qiáng)烈地約束在金屬表面,且能在亞波長(zhǎng)尺度波導(dǎo)內(nèi)傳輸,因而引起很多研究者的興趣。利用SPP可以實(shí)現(xiàn)超衍射極限的集成光子學(xué)器件。由于現(xiàn)代光學(xué)器件對(duì)小型化和集成化的需求不斷提高,基于SPP的亞波長(zhǎng)光學(xué)器件得到大力發(fā)展。其中,金屬納米縫陣列由于在空間場(chǎng)調(diào)制和亞波長(zhǎng)聚焦上獨(dú)特的能力,引起了科研工作者的特別關(guān)注。

2、本文基于SPP的基本理論,利用數(shù)值模擬方法研究了幾種基于不同機(jī)制而設(shè)計(jì)的典型二維金屬納米縫透鏡的聚焦性能。本論文主要的內(nèi)容包括如下:
　　首先,研究了帶有深度調(diào)制狹縫的小 f數(shù)二維金屬納米縫透鏡的聚焦性能。通過(guò)設(shè)計(jì)填充介質(zhì)的金屬狹縫來(lái)產(chǎn)生透鏡所需的位相延遲,利用時(shí)域有限差分方法研究其聚焦性能,給出了焦點(diǎn)的大小、衍射效率、實(shí)際焦點(diǎn)位置以及歸一化能量透過(guò)率。不同于傳統(tǒng)電介質(zhì)透鏡,金屬納米縫透鏡可以用作純衍射元件,這是因?yàn)榻饘偌{米縫透鏡

3、沒(méi)有在彎曲表面發(fā)生光折射和全內(nèi)反射以及由此所產(chǎn)生的能量損耗。對(duì)于傳統(tǒng)電介質(zhì)透鏡, f數(shù)越小,則透鏡的曲面曲率越大,光折射和全內(nèi)反射越嚴(yán)重,因此產(chǎn)生的能量損耗越大。設(shè)計(jì)的小 f數(shù)金屬納米縫透鏡的衍射效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同樣形狀的電介質(zhì)透鏡的衍射效率。
　　第二,利用標(biāo)量衍射理論分析了文獻(xiàn)報(bào)道的柱狀金屬平板納米縫透鏡的焦移現(xiàn)象。給出了菲涅爾近似下的光軸能量分布公式并用于分析二維平板納米縫透鏡在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的聚焦性能。結(jié)果表明相對(duì)焦移的大小只與菲涅

4、爾數(shù)有關(guān),透鏡尺寸、預(yù)設(shè)焦距和入射波長(zhǎng)對(duì)焦移的影響都源于菲涅爾數(shù),透鏡的總相位差近似等于菲涅爾數(shù)乘以π。利用時(shí)域有限差分方法獲得的數(shù)值模擬結(jié)果和理論分析結(jié)果完全一致。此外,我們還利用光軸能量分布公式輔以簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算對(duì)之前的文獻(xiàn)報(bào)道的焦移現(xiàn)象進(jìn)行了分析,并計(jì)算了焦點(diǎn)的實(shí)際位置,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值符合的很好。
　　第三,提出了一種在縫內(nèi)填充不同電介質(zhì)的金屬納米縫陣列構(gòu)成的二元表面等離子體激元透鏡。通過(guò)調(diào)整縫內(nèi)填充材料的折射

5、率可以獲得π大小的位相差。這種折射率調(diào)制的狹縫相比寬度調(diào)制狹縫在位相調(diào)制能力上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這種二元結(jié)構(gòu)既能保持了位相調(diào)制的優(yōu)勢(shì)又降低了制作難度。利用模擬退火算法,優(yōu)化設(shè)計(jì)了幾種具有不同功能的透鏡結(jié)構(gòu),包括單焦點(diǎn)透鏡、雙焦點(diǎn)透鏡以及具有角度補(bǔ)償?shù)耐哥R結(jié)構(gòu),并利用時(shí)域有限差分方法對(duì)其聚焦性能進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第四,將漸變折射率散焦透鏡嵌入到金屬納米縫陣列構(gòu)造了具有會(huì)聚功能的金屬透鏡。當(dāng)金屬縫結(jié)構(gòu)中縫縫間有耦合時(shí),金屬納米陣列具有負(fù)

6、折射現(xiàn)象。盡管漸變折射率金屬透鏡縫內(nèi)介質(zhì)的折射率分布和傳統(tǒng)漸變折射率會(huì)聚透鏡正好相反,但其色散曲線卻和傳統(tǒng)電介質(zhì)漸變折射率會(huì)聚透鏡相似。數(shù)值模擬結(jié)果證明,這種漸變折射率金屬透鏡能夠?qū)⑵矫嫒肷洳〞?huì)聚成一個(gè)深亞波長(zhǎng)尺寸的焦點(diǎn)。我們研究了這種漸變折射率金屬透鏡的聚焦行為并且與傳統(tǒng)的漸變折射率會(huì)聚透鏡進(jìn)行了比較。另外,我們還從理論分析和數(shù)值模擬兩方面研究了這種透鏡的外聚焦性質(zhì)。
　　第五,通過(guò)交替堆疊金屬和電介質(zhì)弧形板構(gòu)造了一種彎曲金屬納