金屬納米結(jié)構(gòu)異常透射及二維平板光子晶體完全帶隙研究.pdf

1、理解和控制光與物質(zhì)間的相互作用，是光學(xué)領(lǐng)域研究的主要課題。在納米尺度上操控光子，實(shí)現(xiàn)全光集成，發(fā)展更小、更快、更強(qiáng)的光學(xué)器件，是人們一直追求的目標(biāo)。表面等離子體(Surface Plasmons，SPs)光學(xué)和光子晶體(Photonic Crystals，pCs)是控制光傳輸?shù)膬煞N重要的途徑。金屬納米結(jié)構(gòu)是激發(fā)和承載表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的主要結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)金屬表面的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)

2、生一些新奇的物理現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)新的器件功能。PCs的光子帶隙和負(fù)折射特性是設(shè)計(jì)各種光子器件的基礎(chǔ)。
　　 基于操控光子的這兩種結(jié)構(gòu)，本論文利用時(shí)域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)法主要研究了金屬納米結(jié)構(gòu)的異常透射、二維平板PC的完全帶隙和金屬PC的亞波長(zhǎng)成像特性和負(fù)折射三部分內(nèi)容。分析了其中一些現(xiàn)象和規(guī)律的物理機(jī)制，同時(shí)也說明了某些現(xiàn)象相應(yīng)的潛在應(yīng)用。具體的內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　

3、 首先研究了金屬納米結(jié)構(gòu)的異常透射特性。介紹了描述金屬的介電常數(shù)的模型，為了確保運(yùn)算程序和結(jié)果的正確性，結(jié)合其中的Drude模型和Lorentz-Drude模型分別用Meep和OptiFDTD對(duì)文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。為了更好地理解二維空氣孔陣列金屬膜透射中出現(xiàn)的雙峰現(xiàn)象，研究了不同參數(shù)對(duì)方形孔和矩形孔陣列透射的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬膜厚度、孔大小、陣列周期、周圍介質(zhì)、金屬材料、孔兩邊長(zhǎng)、電極化方向等參數(shù)影響著透射峰的位置、寬度、強(qiáng)度和數(shù)

4、量。對(duì)很厚的金屬膜或很小的孔，透射中的雙峰變?yōu)橐粋€(gè)峰。對(duì)長(zhǎng)方晶格陣列透射峰的位置主要依賴于沿電場(chǎng)方向的周期。比較理想導(dǎo)體和實(shí)際金屬的透射，發(fā)現(xiàn)金屬介質(zhì)界面的SPPs的作用是不容忽視的。矩形孔陣列的透射率對(duì)入射光的電極化方向相當(dāng)敏感，然而某些特定波長(zhǎng)的透射率不變。與正方晶格相比，長(zhǎng)方晶格矩形孔陣列的透射峰出現(xiàn)了分裂現(xiàn)象。通過研究單孔和陣列的透射和相應(yīng)波長(zhǎng)的場(chǎng)分布并結(jié)合前面的結(jié)果對(duì)透射中的雙峰進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)短波長(zhǎng)的峰以表面模為主，主要是反

5、對(duì)稱模，長(zhǎng)波長(zhǎng)的峰是表面模與局域模的混合模，主要是對(duì)稱模，其實(shí)兩種模式不能完全分開，只是在不同情況下占有不同的主導(dǎo)地位。研究了直角三角形孔陣列金屬膜的透射特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與方形孔和矩形孔陣列相比，直角三角形孔陣列透射中出現(xiàn)了多峰現(xiàn)象，兩直角邊的大小影響透射峰的位置，并結(jié)合峰波長(zhǎng)的場(chǎng)分布分析了其中的物理機(jī)制。列舉了透射中出現(xiàn)多峰特性的兩種情況，一種是通過改變?nèi)肷涔獾碾姌O化方向可以控制二維直角三角形孔陣列金屬膜透射峰的數(shù)量和出射光的波長(zhǎng)，另一

6、種是通過調(diào)節(jié)基底厚度可以控制一維狹縫陣列金屬膜透射峰的數(shù)量、波長(zhǎng)和相鄰峰的間距。
　　 其次研究了二維平板PC的完全帶隙。通過使類TE模和類TM模透射率的帶隙重合，在不同半徑的空氣孔交錯(cuò)排列的硅基二維平板PC的帶隙中得到了比較寬的橫向完全方向帶隙，并從波導(dǎo)的透射率和特定頻率的場(chǎng)分布兩方面做了說明，接著研究了不同平板厚度的帶隙，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平板厚度增大兩個(gè)模的帶隙都紅移，在一定厚度范圍內(nèi)方向帶隙都存在，并對(duì)橫向和縱向上的方向帶隙進(jìn)行了

7、比較。通過改變空氣孔半徑和平板厚度計(jì)算了兩個(gè)模的能帶結(jié)構(gòu)，得到了寬度為中心角頻率的3.11％的完全帶隙。另外在背景材料為鍺的二維平板PC中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶隙寬度為中心角頻率的1.98％的完全帶隙。
　　 最后研究了金屬PC的亞波長(zhǎng)成像特性和負(fù)折射。通過調(diào)整由嵌入到介質(zhì)背景中的銀柱組成的三角晶格二維金屬PC的晶格常數(shù)和背景材料的折射率，在近紅外頻率實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的成像點(diǎn)和有效折射率為-1的負(fù)折射。銀柱的介電常數(shù)用Drude色散模型來描述