亞波長MIM等離激元波導中光波的傳播與調(diào)控.pdf

1、表面等離極化激元（SPPs）是一種沿著金屬和介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ?，由自由電子和電磁場相互作用產(chǎn)生的電子疏密波。它具有一系列的獨特光學性質(zhì)，例如局域電場增強，對電磁波的亞波長束縛，非線性增強等等。由于spp沿著金屬和介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑?，在金屬和介質(zhì)上縱向傳播的時候SPPs會呈指數(shù)衰減，因此，設計合適的金屬微結構可實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。因其獨特的性能而被廣泛應用于增強透射，負折射率材料，超分辨率成像，生物傳感等方面。隨著超構材料的加工和制備技

2、術以及理論數(shù)值模擬分析手段的發(fā)展，越來越多的亞波長等離激元器件得到理論上的分析和實驗上的驗證。和傳統(tǒng)的，受到衍射極限限制的光學器件相比，等離激元器件在尺寸上可以達到亞波長的微納量級。在這些器件中，對表面等離激元波起到束縛和引導作用的是各種類型的波導，例如金屬納米陣列結構，矩形槽波導，異質(zhì)結構波導，V型槽波導，MIM波導等。在眾多波導中，MIM波導由于更好的束縛效果，模式尺寸小，傳輸損耗小和易于加工等優(yōu)點而得到了眾人廣泛的研究，理論上研究

3、MIM波導的傳輸特性以及對其進行調(diào)控具有重要意義。本文設計了基于MIM波導的周期型微納光學器件，通過數(shù)值分析的方法來討論這些結構的電磁波傳播特性。
　　本文的主要工作和研究成果可以簡單歸結如下：
　　1、首先在MIM波導中加入單個U型開口金屬諧振環(huán)，研究金屬開口環(huán)和波導的各參數(shù)對結構的透光性造成的影響，經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)，波導的共振波長隨著開口金屬諧振環(huán)臂長增大而呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象；若增寬MIM波導，則波導中的共振趨于一個恒定的共振。<

4、br>　　2、在波導中再次加入一個諧振環(huán)形成一字排列雙諧振環(huán)結構。經(jīng)過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)結構中兩耦合共振會呈現(xiàn)出對稱模式和反對稱模式。隨著兩個諧振環(huán)間距逐漸增大，兩個透射谷逐漸重合在一起，直至形成一個透射谷。
　　3、將結構做成周期排列的U型金屬開口環(huán)，發(fā)現(xiàn)周期型MIM波導的透射光譜呈現(xiàn)出了兩個帶隙，隨后我們探究了波導各參數(shù)對帶隙的影響：減小諧振環(huán)的排列周期可以使布拉格帶隙向短波長藍移；若增加諧振環(huán)的臂長，兩個透射禁帶會呈現(xiàn)一同向短波

5、長藍移的性質(zhì)；增大MIM波導的寬度可以使兩個帶隙的寬度變窄。
　　4、隨后我們針對周期型MIM波導進行了改變，做成了一大一小雙U型諧振環(huán)排列的周期結構。通過對結構的透射光譜分析，我們發(fā)現(xiàn)：在該結構中也出現(xiàn)了雙帶隙，局域共振帶隙會隨著長U型諧振環(huán)的臂長增長而向長波長紅移；改變短U型諧振環(huán)的底部寬度可以使左側帶隙的線寬變寬，并使兩個帶隙共同出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象；改變波導中的空氣介質(zhì)寬度會使兩個帶隙向高頻波段略微移動，同時縮短帶隙寬度。