周期性微結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、周期性微結(jié)構(gòu)因其特殊的光學(xué)性質(zhì)近年來(lái)受到了廣泛的重視。在這種結(jié)構(gòu)中，光的傳播性質(zhì)較其在普通介質(zhì)中有著顯著的不同。并且通過(guò)改變周期結(jié)構(gòu)的某些物理參數(shù)，能夠?qū)鈧鞑ミM(jìn)行主動(dòng)的操控，因此吸引了研究者們的極大興趣，為人們控制材料的光學(xué)性質(zhì)展示了誘人的前景。
　　 本文中分別對(duì)不同材料的周期性光學(xué)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論上的研究。對(duì)于金屬周期性微結(jié)構(gòu)的研究，我們提出了一種新的構(gòu)建金屬光柵的方法：利用鈮酸鋰晶體的逆壓電效應(yīng)。通過(guò)對(duì)此種方式下獲

2、得的光柵的激發(fā)，觀察到了表面等離子激元（surface plasmon polaritons，SPPs）的出現(xiàn)。另外，對(duì)于介質(zhì)周期性微結(jié)構(gòu)的研究，主要對(duì)納米介質(zhì)波導(dǎo)陣列的光傳播性質(zhì)進(jìn)行了理論上的分析，并且應(yīng)用時(shí)域有限差分法（Finite-difference Time-domain，F(xiàn)DTD）對(duì)介質(zhì)納米波導(dǎo)陣列的光傳播性質(zhì)進(jìn)行了模擬。
　　 本論文的主要內(nèi)容如下：
　　 第一章分別對(duì)金屬周期性微結(jié)構(gòu)和介質(zhì)周期性微結(jié)構(gòu)的基

3、本物理性質(zhì)進(jìn)行了介紹，并概括性地介紹了它們的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用前景等問(wèn)題。
　　 第二章講述了利用鈮酸鋰晶體的逆壓電效應(yīng)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)可調(diào)的金屬光柵。首先在鈮酸鋰晶體內(nèi)部用兩波耦合法記錄下體相位光柵。根據(jù)鈮酸鋰晶體的光折變效應(yīng)，明暗分布的相干條紋會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部的載流子的激發(fā)。隨著載流子激發(fā)、遷移、俘獲的過(guò)程的完成，最終在晶體內(nèi)部形成一個(gè)周期調(diào)制的空間電荷場(chǎng)。由于鈮酸鋰晶體的逆壓電效應(yīng)，晶體內(nèi)部的調(diào)制空間電荷場(chǎng)會(huì)引起晶體內(nèi)部及表面應(yīng)變張量

4、的變化。這樣，在鈮酸鋰晶體的內(nèi)部和表面都會(huì)受到力的作用而產(chǎn)生微小的形變。此時(shí)，濺射到鈮酸鋰晶體表面的銀膜也會(huì)隨著晶體表面形貌的變化而產(chǎn)生形變。雖然這種形變量非常之小，以至于在通常情況下無(wú)法通過(guò)衍射被觀測(cè)到，但是，對(duì)于激發(fā)SPPs所需要的金屬光柵振幅，這樣的形變量是足夠的。因此，當(dāng)探測(cè)光照射到金屬光柵上時(shí)，可以觀察到SPPs被激發(fā)。這種構(gòu)建金屬光柵的方法具有很好的重復(fù)性，并且我們從不同的角度進(jìn)一步證明了金屬光柵的確實(shí)存在。
　　

5、與傳統(tǒng)刻蝕的方法獲得金屬光柵不同，利用鈮酸鋰晶體的逆壓電效應(yīng)構(gòu)建的光柵是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。相比之下，這種方法簡(jiǎn)單，可調(diào)，容易獲取，并且保持了銀膜的完整性。利用這種方式還可以構(gòu)建復(fù)合光柵，即在同一個(gè)位置上和一個(gè)方向上，構(gòu)建了具有不同周期的兩個(gè)光柵，同樣用探測(cè)光對(duì)金屬光柵進(jìn)行激發(fā)時(shí)，可以在相應(yīng)的兩處不同位置上觀測(cè)到SPPs的激發(fā)。在鈮酸鋰晶體內(nèi)存儲(chǔ)圖像時(shí)，由于LiNbO3：Fe的逆壓電效應(yīng)，濺射在晶體表面的銀膜同樣也會(huì)隨著晶體表面的形變而發(fā)生起伏

6、，此時(shí)的形變是帶有所存圖像的信息的。在這樣的情況下，被激發(fā)的SPPs與光波相互作用產(chǎn)生的一級(jí)衍射將得到放大，可以在適當(dāng)?shù)奈恢蒙嫌^測(cè)到一級(jí)衍射的圖像。
　　 第三章主要介紹了納米波導(dǎo)陣列中光束的傳播性質(zhì)。在介質(zhì)納米波導(dǎo)陣列中，普通的波導(dǎo)耦合方程不再適用。因?yàn)槠胀ǖ鸟詈戏匠讨?，只考慮了近鄰波導(dǎo)間的耦合作用?？墒?，在納米波導(dǎo)中大部分能量都集中在波導(dǎo)的外壁傳播，因此除了考慮近鄰波導(dǎo)間的耦合作用，還要考慮其它波導(dǎo)間的耦合作用。我們對(duì)光波耦

7、合方程進(jìn)行了修正。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們只是討論了近鄰波導(dǎo)耦合與次近鄰波導(dǎo)耦合作用下耦合波方程，并且對(duì)三波導(dǎo)納米分立系統(tǒng)和四波導(dǎo)納米分立系統(tǒng)進(jìn)行了方程的推導(dǎo)求解。結(jié)果表明，對(duì)于三波導(dǎo)納米分立系統(tǒng)（最簡(jiǎn)單的納米奇數(shù)波導(dǎo)陣列），要使光束能量從一條波導(dǎo)完全的轉(zhuǎn)移到另外一條波導(dǎo)中，需要本征傳播常數(shù)之比為含有負(fù)數(shù)的偶數(shù)之比；對(duì)于四波導(dǎo)納米分立系統(tǒng)（最簡(jiǎn)單的納米偶數(shù)波導(dǎo)陣列），要使光束能量從一條波導(dǎo)完全轉(zhuǎn)移到另一條波導(dǎo)中，需要本征傳播常數(shù)之比為含有負(fù)數(shù)