表面等離子體光子器件的研究.pdf

1、表面等離子體技術(shù)研究的是金屬亞波長結(jié)構(gòu)表面支撐電子疏密振蕩波，近年來，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為研究的熱門方向。雖然表面等離子體波已經(jīng)在數(shù)十年前起就被廣泛關注，但是受益于納米加工技術(shù)和電磁模擬手段的迅猛發(fā)展，該學科又贏得了新的發(fā)展動力。因為表面等離子體波可以突破衍射極限對光子的操縱，因此近期的很多工作都致力于基于該技術(shù)來實現(xiàn)對傳統(tǒng)發(fā)光器件、激光器、傳感器和太陽能電池等器件的小型化，盡可能在納米尺度范圍內(nèi)研發(fā)出新一代的產(chǎn)品。在本論文中，我們研究了

2、一些表面等離子體的基本光子器件，深入到了超常透射、光場分布操控和薄膜吸波材料三個方面。
　　 首先，在超透射的研究領域，本論文指出了前人所做的關于溝槽陣列增強納米狹縫超透射現(xiàn)象的機理解釋是錯誤的，該理論認為透射的極大值發(fā)生在入射光與溝槽產(chǎn)生的表面波相長干涉的時候。通過研究論證，我們推翻了其解釋，并給出了正確的物理機制，我們認為當溝槽的深度不是很淺時，溝槽產(chǎn)生的表面波是決定透射效果的主要因素。我們還提出將金屬小條放置在金屬薄膜上方

3、一定距離處，得到一個水平光學諧振腔天線，該天線可以高效地捕獲入射光并用來增強納米狹縫的超透射效果。研究指出狹縫的開口位置應該位于水平腔內(nèi)場強較強的位置以保證較高的透射率。在這個工作的基礎上，我們將諧振腔天線的數(shù)目從單個擴展到多個，提出了使用光學諧振腔天線陣列來增強單個納米狹縫的超常透射效果的新機制。
　　 第二，在光場分布的操控領域，我們利用周期性金屬納米結(jié)構(gòu)得到一種沿傳播方向不變的出射光場分布，即光學窗簾效應。形成這種特殊光場

4、分布的物理原因可以通過空間域和波矢域建模進行解釋。特別地，我們通過金屬小條對相鄰的金屬狹縫的入射光條件進行控制，使得它們滿足強度相同、相位有π的差別的條件。為了減小反射，我們對此結(jié)構(gòu)進行修正，使原始的金屬小條光學天線腔陣列變?yōu)閁形狀光學天線腔陣列，修正后結(jié)構(gòu)的透射效率可以達到700％，并在出射空間仍然保持原來的光學窗簾效應。
　　 第三，我們介紹了在克服薄膜光子吸波材料吸波帶寬有限方面的四個設計工作。第一個設計通過對傳統(tǒng)T溝槽光

5、柵進行修改，既保持了原有的溝槽振蕩模式，同時通過特殊的方法引入了橫向相位共振，使原來效率適中的一個吸收峰分裂為兩個效率均高于90％的吸收峰。第二個方案是把金屬小條陣列放置在一個金屬溝槽陣列上方距離120nm的位置處，構(gòu)成一個雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在三個波長處有90％以上的透過率，原因是其可以同時支撐三種不同模式的共振，如金屬小條共振模式、金屬溝槽模式和金屬小條與金屬溝槽表面構(gòu)成的水平腔共振模式。第三種吸波體是將不同尺寸的金屬納米腔天線集中在同