基于表面等離子體激元的光學濾波片與完美吸收超材料的設計及數值模擬.pdf

1、近年來，表面等離子體激元因其獨特的非線性光學性質引起了科學界極大的興趣。表面等離子體激元在科學實踐的很多領域有著廣泛的應用，比如環(huán)境能源、生物科技和光學成像等領域。而要拓展這些應用，必須設計出更多基于表面等離子體激元的微納米光學器件。微納光學器件的實驗制備具有成本高、周期長和效率低等特點，而通過數值計算設計微納光學器件相對來說是廉價高效的。本文主要闡述了通過有限時域差分法(FDTD)設計具有優(yōu)良光學性質的光學濾波片和完美吸收超材料。本論

2、文的主要研究內容和成果如下:
　　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，另外還簡要概述了基于有限時域差分法的理論算法。
　　在第二章中，主要研究基于異常光學透射的兩種光學濾波片的透射性質?？梢姽夂图t外波段下亞波長的金屬孔洞陣列的透射率可以遠大于經典電磁理論預測的透射率，甚至可以超過占空比，這種異常光學透射的現象可以用來制備光學濾波片。據此，本文提出了兩種不同結構光學濾波片的設計。第一種濾波片是

3、兩面有不同對稱結構的亞波長孔洞陣列的金膜。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孔洞-圓柱復合結構的周期性陣列。利用商業(yè)軟件FDTD Solutions，計算了這兩種光學濾波片在紅外和可見光波段的透射性質。在光學模擬中，發(fā)現這兩種不同結構的濾波片均能通過改變一些幾何參數有效的調節(jié)透射峰的強度和位置。模擬發(fā)現在第一種光學濾波片中傳播型表面等離子體激元的(1，0)能級出現劈裂。當入射光正入射照在有未穿透孔陣列的金膜表

4、面時，與傳播型表面等離子體激元(1，1)模相關的透射峰隨著未穿透孔深度的增加而逐步增強并且紅移。當入射光正入射照在沒有未穿透孔陣列的金膜表面時，與傳播型表面等離子體激元(1，1)模相關的透射峰隨著未穿透孔深度的增加先增強后減弱。在計算中，方向在第二種濾波片中有兩個顯著的透射峰，長波方向的透射峰是與表面等離子體激元共振相關，另一個短波方向的透射峰與硅圓柱形顆粒的磁偶極子共振相關。另外，還有兩個微弱的透射峰，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。通過計算還發(fā)現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-介質-金屬結構的完美吸收超材料的設計。模擬發(fā)現這種基于介質-介質-金屬（I1-I2-M，其中I1是迎光面）結構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，分析認為當入射光照射

6、在氮化硅周期性顆粒面(I1)上時，在顆粒內部產生了電偶極共振，電偶極共振的位移電流產生環(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生了傳播型表面等離子體激元，導致入射光的能量轉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。另外，可以把設計的基于介質-介質-金屬結構的超材料應用在光學傳感器上

7、。
　　在第四章中，設計了在微波波段的基于二維復式孔洞-圓柱陣列的濾波片。在厘米級的不銹鋼孔洞中塞入鐵圓柱，構造同軸波導的狹縫陣列，并在實驗上觀測到高達90％以上的透過率。據此提出了新的模型解釋測量到的高透射率。當入射電磁波照射在樣品上時，亞波長小孔的輻射相當于一個磁偶極輻射。當圓孔中塞入鐵柱時，鐵柱在外電場的作用下產生電偶極共振。鐵柱的電偶極共振顯著的增強了亞波長小孔的磁偶極輻射，最終導致入射電磁波能量高通穿過狹縫陣列。