金屬微納結構亞衍射光場調(diào)控.pdf

1、傳統(tǒng)光場調(diào)控手段受衍射極限的物理制約，被限制在約半個波長空間尺度上。納米科技的進步和納米光學的發(fā)展促進了亞波長光場調(diào)控研究的興起，表面等離激元光子學的研究熱潮使得基于金屬微納結構的方法成為了亞衍射尺度上光場調(diào)控研究重點。本文從經(jīng)典光學中衍射極限在光場調(diào)控中的挑戰(zhàn)出發(fā)，圍繞亞波長金屬微納結構在小于衍射極限尺度上調(diào)控能力展開，以理論分析和數(shù)值仿真為主要方法，研究了亞波長金屬微納結構的新現(xiàn)象和新應用。
　　在前人已有工作的基礎上，本文做

2、了如下具體工作：
　　1.光頻角錐喇叭天線的理論分析和優(yōu)化設計
　　應用等效折射率的思想，首次對光頻電磁波在金屬膜上亞波長錐形小孔中的透射進行了理論分析和優(yōu)化設計。將矩形小孔內(nèi)的模式分解為兩個一維模式TM模和 TE模，分析了光頻角錐喇叭天線的透射效率、等效折射率與結構參數(shù)之間的變化規(guī)律。
　　采用粒子群算法分別以透射增強和局域場增強為優(yōu)化目標對錐形小孔進行了一系列仿真，以進一步優(yōu)化結構，獲得了遠高于普通亞波長小孔的透射

3、強度和局域場增強效果。在金屬膜入射面加入環(huán)形溝槽，使入射光通過橫向SPP耦合到優(yōu)化的小孔天線中，透射強度進一步提高。理論和仿真計算表明，優(yōu)化設計的錐形小孔結構（特別是與環(huán)槽結合后）能有效地傳遞和壓縮光頻電磁場，取得了納米尺度的超常透射強度和超高近場增強效果，這在納米光電子器件和生化傳感領域中應用前景廣闊。
　　2.提出了金屬膜上多條亞波長狹縫透射的理論
　　采用單模匹配方法對金屬薄板上亞波長單狹縫的透射進行了理論建模和分析。

4、提出了金屬膜上多條亞波長狹縫透射的理論，無論是PEC還是具有有限電導率或者有限介電常數(shù)的實際金屬，該理論都在很寬的頻率范圍內(nèi)與實驗結果和仿真吻合非常好。
　　3.提出了一種基于多狹縫結構的超散射方法
　　研究了單狹縫中的單道極限和多狹縫產(chǎn)生的超透射，提出了一種在亞波長尺寸上突破單道極限的超散射方案。以三狹縫結構為例，不同的兩個散射通道之間通過狹縫端面的衍射發(fā)生相互耦合，由于不同通道的諧振并未完全一致，又因諧振附近會產(chǎn)生π相位

5、跳變，所以通道會產(chǎn)生同相干涉和異相干涉，此為Fano諧振。在特定波長上，單道極限可被多通道的Fano諧振同相干涉超越，表現(xiàn)為輻射增強的亞波長尺寸超散射。由此，發(fā)現(xiàn)了一個有趣現(xiàn)象，即是發(fā)生超散射時小通光面積反而能獲得更大的透射。
　　4.提出了一種由Fano諧振產(chǎn)生REI亞衍射極限超聚焦的方案
　　提出了一種由多狹系統(tǒng)中Fano諧振產(chǎn)生無輻射電磁場干涉以到達亞衍射極限聚焦的方案。通過理論分析和FDTD仿真證明了，金屬板中緊密排

6、列的深亞波長狹縫不僅存在Fano諧振，而且還能在Fano諧振無輻射區(qū)域產(chǎn)生亞衍射聚焦，聚焦性能與其它超聚焦方法非常接近。在亞衍射聚焦中，F(xiàn)ano的兩個主要特性起了關鍵作用：（1)通過相消干涉抑制輻射，從而可以產(chǎn)生REI;(2)產(chǎn)生諧振的場增強，從而可以克服倏逝衰減，這也是與其他REI方法的不同之處。提出了解釋這些現(xiàn)象的分析理論，雖然該理論是建立在PEC對象上，但是，F(xiàn)DTD仿真表明在有損耗和表面等離激元起作用的可見光波段依然有用，并具有