金屬波導(dǎo)陣列中表面等離子體的傳輸特性研究.pdf

1、隨著納米光子學(xué)的發(fā)展，納米金屬波導(dǎo)陣列引起了人們的極大地關(guān)注，納米金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體可以實(shí)現(xiàn)亞波長衍射控制、亞波長聚焦、負(fù)折射、離散等離子體Talbot效應(yīng)和光分束等功能，為在納米尺度操控光提供了新的可能。在本論文中，我們將超模理論引入到納米結(jié)構(gòu)的金屬波導(dǎo)陣列里并研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射、深亞波長聚焦和離散等離子體Talbot效應(yīng)。本文的主要研究工作如下：
　　（1）研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射。已有的關(guān)

2、于金屬波導(dǎo)陣列離散衍射的研究都是針對(duì)無限個(gè)（或上百個(gè)）金屬波導(dǎo)所組成的陣列，而對(duì)于有限個(gè)金屬波導(dǎo)所組成的陣列，產(chǎn)生的離散衍射并沒有被深入研究。本文模擬了有限金屬波導(dǎo)陣列的場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)傳輸?shù)讲▽?dǎo)陣列的上下波導(dǎo)邊界時(shí)，能量被反射回來，形成復(fù)雜的場(chǎng)分布圖案。為了解釋有限金屬波導(dǎo)陣列中的場(chǎng)分布，本文將超模理論引入到金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體傳輸，用一種新的方法推出了相關(guān)的微擾常數(shù)和耦合常數(shù)，分別計(jì)算出了波導(dǎo)數(shù)目為N=3，N=4，N=5的金

3、屬波導(dǎo)陣列的傳輸常數(shù)和波函數(shù)。當(dāng)輸入場(chǎng)從陣列的不同位置入射時(shí)，會(huì)形成不同的衍射場(chǎng)分布，因此還討論了對(duì)稱性入射和非對(duì)稱性入射的衍射情況，并用表面等離子體超模理論進(jìn)行了理論分析，推出了陣列中的衍射場(chǎng)分布情況，給出了衍射場(chǎng)強(qiáng)度的最大值和最小值的精確位置。本文用時(shí)域有限差分法驗(yàn)證了表面等離子體超模理論，數(shù)值模擬的結(jié)果與超模理論分析的結(jié)果相符，驗(yàn)證了表面等離子體超模理論的正確性。
　?。?）在有限金屬波導(dǎo)陣列中提出一個(gè)新的遮蓋式的深亞波長聚

4、焦方案。其特點(diǎn)是：陣列的中間波導(dǎo)的入口被遮蓋而只有陣列兩邊的波導(dǎo)被打開。模擬結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)可以使入射的平面波（波長為632.8nm）匯聚到陣列中的單個(gè)波導(dǎo)內(nèi)，形成焦點(diǎn)，焦點(diǎn)的半高全寬為54nm左右。為了說明這種遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列聚焦的特點(diǎn)，本文也分析了同等條件下沒有遮蓋的金屬波導(dǎo)陣列的聚焦情況，發(fā)現(xiàn)沒有遮蓋時(shí)的半高全寬是150nm左右?？梢姡姓谏w物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點(diǎn)比無遮蓋物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點(diǎn)要小得多。本文用表面等離子體的超模

5、理論成功解釋了這種聚焦行為，計(jì)算出了有限金屬波導(dǎo)陣列中超模的傳輸常數(shù)和場(chǎng)分布，當(dāng)中間波導(dǎo)的入射端被遮蓋時(shí)，入射波僅僅激發(fā)了具有偶對(duì)稱性的超模，整個(gè)場(chǎng)是由這些對(duì)稱性的超模疊加形成的。超模理論預(yù)測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。同時(shí)，本文討論了由遮蓋所引起的能量損失，發(fā)現(xiàn)中間波導(dǎo)的遮蓋對(duì)陣列焦點(diǎn)處的能量影響較小。這種中間被遮蓋的陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：把入射場(chǎng)聚焦到陣列中的單個(gè)波導(dǎo)內(nèi)，獲得的焦點(diǎn)比無遮蓋的陣列要小得多，在損失較小的能量的前提下，焦點(diǎn)

6、處的峰值更尖銳，焦點(diǎn)的大小只有入射波長的1/12，實(shí)現(xiàn)了深亞波長聚焦。
　?。?）在有限金屬波導(dǎo)陣列里成功實(shí)現(xiàn)了離散Talbot效應(yīng)。一直以來，產(chǎn)生離散Talbot效應(yīng)所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當(dāng)大：模擬計(jì)算時(shí)所用的波導(dǎo)個(gè)數(shù)為無窮多個(gè)，而在實(shí)驗(yàn)中采用的波導(dǎo)個(gè)數(shù)也高達(dá)數(shù)百個(gè)。然而，如何在有限個(gè)波導(dǎo)數(shù)目組成的陣列里實(shí)現(xiàn)Talbot效應(yīng)，一直以來都沒有實(shí)現(xiàn)。本文通過分析有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的傳播常數(shù)和波函數(shù)得出了超模激發(fā)系數(shù)與輸入

7、場(chǎng)之間的定量關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，陣列中的各級(jí)超模不是被等量激發(fā)的，被激發(fā)的超模系數(shù)是由輸入場(chǎng)的強(qiáng)度分布決定。通過調(diào)節(jié)輸入場(chǎng)在各個(gè)波導(dǎo)內(nèi)的不同強(qiáng)度，來定量控制陣列中被激發(fā)超模的系數(shù)。有限金屬波導(dǎo)陣列中的場(chǎng)強(qiáng)分布可以認(rèn)為是被激發(fā)的超模的疊加。根據(jù)表面等離子體的超模理論，在由13個(gè)波導(dǎo)組成的有限金屬波導(dǎo)陣列中，通過調(diào)節(jié)每個(gè)輸入場(chǎng)的不同強(qiáng)度，可以只激發(fā)第一級(jí)超模和最高級(jí)超模，這兩個(gè)超模疊加后在傳輸方向上形成離散Talbot效應(yīng)。用表面等離子體超模理

8、論還解釋了無限金屬波導(dǎo)陣列里的Talbot效應(yīng)。我們進(jìn)一步驗(yàn)證了在無限金屬波導(dǎo)陣列里輸入場(chǎng)的周期性條件，發(fā)現(xiàn)無限金屬波導(dǎo)陣列里的離散Talbot效應(yīng)與傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列不同：在傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列里輸入場(chǎng)的周期條件為P=1，2，3，4和6，而在無限金屬波導(dǎo)陣列中輸入場(chǎng)的周期條件為P=1，2，3，4和5。
　　（4）研究了有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的選擇性激發(fā)，建立了選擇性激發(fā)表面等離子體超模的理論方程，可以選擇激發(fā)金屬波導(dǎo)