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，實現(xiàn)全光集成，發(fā)展更小、更快、更強的光學(xué)器件，是人們一直追求的目標。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)象和實現(xiàn)新的器件功能。PCs的光子帶隙和負折射特性是設(shè)計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的亞波長成像特性和負折射三部分內(nèi)容。分析了其中一些現(xiàn)象和規(guī)律的物理機制，同時也說明了某些現(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對文獻中的結(jié)構(gòu)進行了模擬。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、電極化方向等參數(shù)影響著透射峰的位置、寬度、強度和數(shù)

4、量。對很厚的金屬膜或很小的孔，透射中的雙峰變?yōu)橐粋€峰。對長方晶格陣列透射峰的位置主要依賴于沿電場方向的周期。比較理想導(dǎo)體和實際金屬的透射，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入射光的電極化方向相當敏感，然而某些特定波長的透射率不變。與正方晶格相比，長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)波長的場分布并結(jié)合前面的結(jié)果對透射中的雙峰進一步分析，發(fā)現(xiàn)短波長的峰以表面模為主，主要是反

5、對稱模，長波長的峰是表面模與局域模的混合模，主要是對稱模，其實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)合峰波長的場分布分析了其中的物理機制。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，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，并對橫向和縱向上的方向帶隙進行了

7、比較。通過改變空氣孔半徑和平板厚度計算了兩個模的能帶結(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的亞波長成像特性和負折射。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，在近紅外頻率實現(xiàn)了高質(zhì)量的成像點和有效折射率為-1的負折射。銀柱的介電常數(shù)用Drude色散模型來描述