亞波長(zhǎng)金屬光學(xué)天線的設(shè)計(jì)及分析.pdf

1、自Ebbesen等人報(bào)道了金屬薄膜上亞波長(zhǎng)孔洞陣列的光超強(qiáng)透射現(xiàn)象后，由于其潛在的物理機(jī)理和新穎的應(yīng)用，人們開始對(duì)納米級(jí)尺度金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的光學(xué)特性產(chǎn)生了極大的興趣。由于早期的實(shí)驗(yàn)是在金屬薄膜上打孔來(lái)研究這種透射現(xiàn)象的，所以Ebbesen等人把這種奇特的現(xiàn)象歸因于表面等離子體的產(chǎn)生。但是也有其他的研究人員提出不同的解釋機(jī)理。比如基于周期的縫和洞陣列的動(dòng)力學(xué)衍射理論，以及一維縫和縫陣列中的諧振腔模式理論。Gay等人應(yīng)用新的數(shù)值研究方法和測(cè)量

2、方法，重新分析了以前實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)新的模型，叫做復(fù)合衍射瞬逝波模型。但是，直到現(xiàn)在，也沒有一個(gè)確定的結(jié)論來(lái)解釋這個(gè)超強(qiáng)的光透射現(xiàn)象。亞波長(zhǎng)金屬孔洞陣列超強(qiáng)透射特性的物理本質(zhì)的揭示將有助于人類更進(jìn)一步地利用此光學(xué)特性。 盡管如此，通過(guò)掌控金屬表面產(chǎn)生的表面等離子激元的傳播，發(fā)現(xiàn)了許多有實(shí)用價(jià)值的光學(xué)現(xiàn)象，比如形成光束、聚焦、分束和導(dǎo)光，這些光學(xué)現(xiàn)象已經(jīng)被理論上預(yù)見并在試驗(yàn)中被觀察。同時(shí)，基于表面等離子體的納米光子元器件，

3、比如波導(dǎo)、透鏡、反射器和光束分離器已經(jīng)被提出可以實(shí)現(xiàn)。 基于目前對(duì)SPP物理機(jī)理和光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)兩方面的研究，本文分別從這兩方面入手，一方面試圖用數(shù)值模擬的理論實(shí)驗(yàn)出發(fā)，尋找產(chǎn)生這一奇異現(xiàn)象的物理本質(zhì)；另一方面，由于SPP的超強(qiáng)透射和準(zhǔn)直光束的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)小尺寸廣角光學(xué)天線。主要工作如下： 一、應(yīng)用嚴(yán)格的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法分析了光和單個(gè)不同半徑金屬納米微粒的相互作用，并且研究了光和耦合金屬納米微

4、粒的相互作用。數(shù)值仿真結(jié)果顯示：?jiǎn)蝹€(gè)微粒與入射光相互作用時(shí)，隨著金屬微粒半徑的變化，諧振波長(zhǎng)將發(fā)生改變。光與耦合微粒相互作用時(shí)，隨著入射光角度的不同，相應(yīng)的諧振波長(zhǎng)和諧振場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化。這些結(jié)果將有可能在光通信技術(shù)、集成納米光子學(xué)和納米級(jí)光學(xué)中得到應(yīng)用。同時(shí)局域場(chǎng)的增強(qiáng)可以應(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)和單個(gè)分子的探測(cè)。 二、研究了一個(gè)縫結(jié)構(gòu)和一個(gè)納米微粒耦合的聚焦光特性。其中縫結(jié)構(gòu)是由一邊有光柵結(jié)構(gòu)的金屬薄膜組成，而納米金屬微

5、粒置于縫的頂端。數(shù)值仿真結(jié)果顯示：在縫結(jié)構(gòu)的另一端形成了很好的聚焦光束。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于給定波長(zhǎng)的光的接收和發(fā)射功能，所以此系統(tǒng)可以應(yīng)用于微型化的光學(xué)天線的設(shè)計(jì)。潛在的應(yīng)用包括耦合光進(jìn)入光纖并從光纖中導(dǎo)出光波。也可應(yīng)用在微型化的光源設(shè)計(jì)中。 三、研究了一個(gè)有限結(jié)構(gòu)中通過(guò)縫和微粒的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光效應(yīng)。 四、應(yīng)用一個(gè)縫槽結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明由槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的表面波沿著表面?zhèn)鞑ネㄟ^(guò)縫后的傳播特性。試圖對(duì)SPP的物理機(jī)理進(jìn)行初步研究。