基于表面等離子體激元的光學(xué)濾波片與完美吸收超材料的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬.pdf

1、近年來(lái)，表面等離子體激元因其獨(dú)特的非線性光學(xué)性質(zhì)引起了科學(xué)界極大的興趣。表面等離子體激元在科學(xué)實(shí)踐的很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，比如環(huán)境能源、生物科技和光學(xué)成像等領(lǐng)域。而要拓展這些應(yīng)用，必須設(shè)計(jì)出更多基于表面等離子體激元的微納米光學(xué)器件。微納光學(xué)器件的實(shí)驗(yàn)制備具有成本高、周期長(zhǎng)和效率低等特點(diǎn)，而通過(guò)數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)微納光學(xué)器件相對(duì)來(lái)說(shuō)是廉價(jià)高效的。本文主要闡述了通過(guò)有限時(shí)域差分法(FDTD)設(shè)計(jì)具有優(yōu)良光學(xué)性質(zhì)的光學(xué)濾波片和完美吸收超材料。本論

2、文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　在第一章中，綜述了傳播型表面等離子體激元和局域表面等離子體激元的概念，另外還簡(jiǎn)要概述了基于有限時(shí)域差分法的理論算法。
　　在第二章中，主要研究基于異常光學(xué)透射的兩種光學(xué)濾波片的透射性質(zhì)?？梢姽夂图t外波段下亞波長(zhǎng)的金屬孔洞陣列的透射率可以遠(yuǎn)大于經(jīng)典電磁理論預(yù)測(cè)的透射率，甚至可以超過(guò)占空比，這種異常光學(xué)透射的現(xiàn)象可以用來(lái)制備光學(xué)濾波片。據(jù)此，本文提出了兩種不同結(jié)構(gòu)光學(xué)濾波片的設(shè)計(jì)。第一種濾波片是

3、兩面有不同對(duì)稱結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)孔洞陣列的金膜。金膜上穿透孔陣列和未穿透孔陣列相互嵌套。第二種濾波片基于亞波長(zhǎng)孔洞-圓柱復(fù)合結(jié)構(gòu)的周期性陣列。利用商業(yè)軟件FDTD Solutions，計(jì)算了這兩種光學(xué)濾波片在紅外和可見光波段的透射性質(zhì)。在光學(xué)模擬中，發(fā)現(xiàn)這兩種不同結(jié)構(gòu)的濾波片均能通過(guò)改變一些幾何參數(shù)有效的調(diào)節(jié)透射峰的強(qiáng)度和位置。模擬發(fā)現(xiàn)在第一種光學(xué)濾波片中傳播型表面等離子體激元的(1，0)能級(jí)出現(xiàn)劈裂。當(dāng)入射光正入射照在有未穿透孔陣列的金膜表

4、面時(shí)，與傳播型表面等離子體激元(1，1)模相關(guān)的透射峰隨著未穿透孔深度的增加而逐步增強(qiáng)并且紅移。當(dāng)入射光正入射照在沒有未穿透孔陣列的金膜表面時(shí)，與傳播型表面等離子體激元(1，1)模相關(guān)的透射峰隨著未穿透孔深度的增加先增強(qiáng)后減弱。在計(jì)算中，方向在第二種濾波片中有兩個(gè)顯著的透射峰，長(zhǎng)波方向的透射峰是與表面等離子體激元共振相關(guān)，另一個(gè)短波方向的透射峰與硅圓柱形顆粒的磁偶極子共振相關(guān)。另外，還有兩個(gè)微弱的透射峰，分別是硅圓柱顆粒的磁四極子共振峰

5、和whispering-gallery plasmon（諧振腔微環(huán)等離子體）（諧振腔微環(huán)等離子體）與磁偶極的耦合峰。通過(guò)計(jì)算還發(fā)現(xiàn)了硅顆粒的磁偶極共振抑制了金-空氣界面處的表面等離子體激元共振。
　　在第三章中，提出了基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的完美吸收超材料的設(shè)計(jì)。模擬發(fā)現(xiàn)這種基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬（I1-I2-M，其中I1是迎光面）結(jié)構(gòu)的完美吸收超材料在可見光和紅外波段具有雙波段的完美吸收。借助于麥克斯韋方程，分析認(rèn)為當(dāng)入射光照射

6、在氮化硅周期性顆粒面(I1)上時(shí)，在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生了電偶極共振，電偶極共振的位移電流產(chǎn)生環(huán)形極化電流，而氮化硅單元下表面的極化電流在硅顆粒的下表面形成極化電荷分布。這種極化電荷分布在金膜上表面產(chǎn)生鏡像極化電荷分布。正是這種金膜表面的鏡像極化電荷的集體振蕩產(chǎn)生了傳播型表面等離子體激元，導(dǎo)致入射光的能量轉(zhuǎn)變成傳播型表面等離子體激元的能量，并被局域在氮化硅單元陣列或石英薄膜內(nèi)。另外，可以把設(shè)計(jì)的基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料應(yīng)用在光學(xué)傳感器上

7、。
　　在第四章中，設(shè)計(jì)了在微波波段的基于二維復(fù)式孔洞-圓柱陣列的濾波片。在厘米級(jí)的不銹鋼孔洞中塞入鐵圓柱，構(gòu)造同軸波導(dǎo)的狹縫陣列，并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到高達(dá)90％以上的透過(guò)率。據(jù)此提出了新的模型解釋測(cè)量到的高透射率。當(dāng)入射電磁波照射在樣品上時(shí)，亞波長(zhǎng)小孔的輻射相當(dāng)于一個(gè)磁偶極輻射。當(dāng)圓孔中塞入鐵柱時(shí)，鐵柱在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電偶極共振。鐵柱的電偶極共振顯著的增強(qiáng)了亞波長(zhǎng)小孔的磁偶極輻射，最終導(dǎo)致入射電磁波能量高通穿過(guò)狹縫陣列。