本文關鍵詞：金屬波導陣列中表面等離子體的傳輸特性研究

  更多相關文章： 金屬波導陣列 表面等離子體激元 超模 離散衍射 亞波長聚焦 離散Talbot效應 時域有限差分法

【摘要】：隨著納米光子學的發(fā)展,納米金屬波導陣列引起了人們的極大地關注,納米金屬波導陣列中的表面等離子體可以實現(xiàn)亞波長衍射控制、亞波長聚焦、負折射、離散等離子體Talbot效應和光分束等功能,為在納米尺度操控光提供了新的可能。在本論文中,我們將超模理論引入到納米結構的金屬波導陣列里并研究了有限金屬波導陣列中的離散衍射、深亞波長聚焦和離散等離子體Talbot效應。本文的主要研究工作如下:(1)研究了有限金屬波導陣列中的離散衍射。已有的關于金屬波導陣列離散衍射的研究都是針對無限個(或上百個)金屬波導所組成的陣列,而對于有限個金屬波導所組成的陣列,產生的離散衍射并沒有被深入研究。本文模擬了有限金屬波導陣列的場分布,發(fā)現(xiàn)當場傳輸?shù)讲▽ш嚵械纳舷虏▽н吔鐣r,能量被反射回來,形成復雜的場分布圖案。為了解釋有限金屬波導陣列中的場分布,本文將超模理論引入到金屬波導陣列中的表面等離子體傳輸,用一種新的方法推出了相關的微擾常數(shù)和耦合常數(shù),分別計算出了波導數(shù)目為N=3,N=4,N=5的金屬波導陣列的傳輸常數(shù)和波函數(shù)。當輸入場從陣列的不同位置入射時,會形成不同的衍射場分布,因此還討論了對稱性入射和非對稱性入射的衍射情況,并用表面等離子體超模理論進行了理論分析,推出了陣列中的衍射場分布情況,給出了衍射場強度的最大值和最小值的精確位置。本文用時域有限差分法驗證了表面等離子體超模理論,數(shù)值模擬的結果與超模理論分析的結果相符,驗證了表面等離子體超模理論的正確性。(2)在有限金屬波導陣列中提出一個新的遮蓋式的深亞波長聚焦方案。其特點是:陣列的中間波導的入口被遮蓋而只有陣列兩邊的波導被打開。模擬結果表明,這種結構可以使入射的平面波(波長為632.8nm)匯聚到陣列中的單個波導內,形成焦點,焦點的半高全寬為54nm左右。為了說明這種遮蓋式金屬波導陣列聚焦的特點,本文也分析了同等條件下沒有遮蓋的金屬波導陣列的聚焦情況,發(fā)現(xiàn)沒有遮蓋時的半高全寬是150nm左右�？梢�,有遮蓋物的波導陣列產生的焦點比無遮蓋物的波導陣列產生的焦點要小得多。本文用表面等離子體的超模理論成功解釋了這種聚焦行為,計算出了有限金屬波導陣列中超模的傳輸常數(shù)和場分布,當中間波導的入射端被遮蓋時,入射波僅僅激發(fā)了具有偶對稱性的超模,整個場是由這些對稱性的超模疊加形成的。超模理論預測的結果與數(shù)值模擬的結果相符。同時,本文討論了由遮蓋所引起的能量損失,發(fā)現(xiàn)中間波導的遮蓋對陣列焦點處的能量影響較小。這種中間被遮蓋的陣列結構的優(yōu)點在于:把入射場聚焦到陣列中的單個波導內,獲得的焦點比無遮蓋的陣列要小得多,在損失較小的能量的前提下,焦點處的峰值更尖銳,焦點的大小只有入射波長的1/12,實現(xiàn)了深亞波長聚焦。(3)在有限金屬波導陣列里成功實現(xiàn)了離散talbot效應。一直以來,產生離散talbot效應所需的波導結構相當大:模擬計算時所用的波導個數(shù)為無窮多個,而在實驗中采用的波導個數(shù)也高達數(shù)百個。然而,如何在有限個波導數(shù)目組成的陣列里實現(xiàn)talbot效應,一直以來都沒有實現(xiàn)。本文通過分析有限金屬波導陣列里的表面等離子體超模的傳播常數(shù)和波函數(shù)得出了超模激發(fā)系數(shù)與輸入場之間的定量關系。研究發(fā)現(xiàn),陣列中的各級超模不是被等量激發(fā)的,被激發(fā)的超模系數(shù)是由輸入場的強度分布決定。通過調節(jié)輸入場在各個波導內的不同強度,來定量控制陣列中被激發(fā)超模的系數(shù)。有限金屬波導陣列中的場強分布可以認為是被激發(fā)的超模的疊加。根據表面等離子體的超模理論,在由13個波導組成的有限金屬波導陣列中,通過調節(jié)每個輸入場的不同強度,可以只激發(fā)第一級超模和最高級超模,這兩個超模疊加后在傳輸方向上形成離散talbot效應。用表面等離子體超模理論還解釋了無限金屬波導陣列里的talbot效應。我們進一步驗證了在無限金屬波導陣列里輸入場的周期性條件,發(fā)現(xiàn)無限金屬波導陣列里的離散talbot效應與傳統(tǒng)的介質波導陣列不同:在傳統(tǒng)的介質波導陣列里輸入場的周期條件為p=1,2,3,4和6,而在無限金屬波導陣列中輸入場的周期條件為p=1,2,3,4和5。(4)研究了有限金屬波導陣列里的表面等離子體超模的選擇性激發(fā),建立了選擇性激發(fā)表面等離子體超模的理論方程,可以選擇激發(fā)金屬波導陣列中任意一級的超模。只需要將要激發(fā)的第幾級(或多個)超模,代入方程計算,再根據計算出的場幅值來定量設置輸入場的強度,進而激發(fā)出所需要的超模。由于激發(fā)出的不同超模疊加后會形成不同的場分布,因此可以選擇激發(fā)金屬波導陣列里兩個偶模,形成兩個偶模的疊加場。根據兩個偶模疊加場的分布特點,我們設計出了一種基于金屬波導陣列的功率分束器。
【關鍵詞】：金屬波導陣列 表面等離子體激元 超模 離散衍射 亞波長聚焦 離散Talbot效應 時域有限差分法
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O53;TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-47
• 1.1 引言12
• 1.2 表面等離子體激元的研究背景12-13
• 1.3 表面等離子體激元的基本理論和激發(fā)方式13-23
• 1.3.1 消逝波13-15
• 1.3.2 表面等離子體激元的色散關系15-19
• 1.3.3 表面等離子體激元的激發(fā)方式19-23
• 1.4 金屬波導陣列的研究進展23-27
• 1.5 時域有限差分方法27-36
• 1.5.1 時域有限差分的基本原理27-34
• 1.5.2 時域有限差分方法的邊界條件34-35
• 1.5.3 數(shù)值穩(wěn)定性分析35-36
• 1.6 本文主要研究內容36-38
• 參考文獻38-47
• 第二章 有限金屬波導陣列的離散衍射47-70
• 2.1 引言47-52
• 2.1.1 介質波導陣列中的離散衍射47-51
• 2.1.2 介質波導陣列的超模理論51-52
• 2.2 有限金屬波導陣列的離散衍射52-59
• 2.2.1 有限金屬波導陣列與無限金屬波導陣列中離散衍射的區(qū)別52-53
• 2.2.2 金屬波導陣列中的超模理論53-55
• 2.2.3 有限金屬波導陣列中離散衍射的理論分析和模擬驗證55-59
• 2.3 有限金屬波導陣列的非對稱性激發(fā)59-66
• 2.3.1 含三個波導的金屬波導陣列的非對稱性激發(fā)59-61
• 2.3.2 含四個波導的金屬波導陣列的非對稱性激發(fā)61-63
• 2.3.3 含五個波導的金屬波導陣列的非對稱性激發(fā)63-66
• 2.4 本章小結66-68
• 參考文獻68-70
• 第三章 金屬波導陣列的遮蓋式深亞波長聚焦70-84
• 3.1 引言70
• 3.2 金屬波導陣列的遮蓋式深亞波長聚焦70-81
• 3.2.1 遮蓋式金屬波導陣列結構和聚焦現(xiàn)象70-73
• 3.2.2 遮蓋式金屬波導陣列的超模理論分析73-77
• 3.2.3 能量損失分析77-79
• 3.2.4 遮蓋式金屬波導陣列的推廣79-81
• 3.3 本章小結81-82
• 參考文獻82-84
• 第四章 離散等離子體Talbot效應和超模的選擇性激發(fā)84-104
• 4.1 引言84-87
• 4.1.1 連續(xù)等離子體Talbot效應84-86
• 4.1.2 離散等離子體Talbot效應86-87
• 4.2 有限金屬波導陣列中的離散等離子體Talbot效應87-92
• 4.2.1 無限金屬陣列與有限金屬陣列的Talbot效應區(qū)別87-88
• 4.2.2 有限金屬波導陣列內異常干涉圖案的超模理論解釋88-91
• 4.2.3 有限金屬波導陣列中的離散Talbot效應91-92
• 4.3 無限金屬波導陣列中的Talbot效應92-95
• 4.3.1 無限金屬波導陣列中Talbot效應的超模理論解釋92-94
• 4.3.2 無限金屬波導陣列產生Talbot效應的輸入場的周期條件94-95
• 4.4 有限金屬波導陣列中表面等離子體超模的選擇性激發(fā)95-100
• 4.4.1 單個超模的選擇性激發(fā)95-98
• 4.4.2 兩個超模的同時激發(fā)98-100
• 4.4.3 基于金屬波導陣列的功率分束器設計100
• 4.5 本章小結100-102
• 參考文獻102-104
• 第五章 全文總結104-106
• 博士研究生階段發(fā)表的論文106-107
• 致謝107

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