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金属介质薄膜结构的研究与制备

作　者: 张锦龙
导　师: 刘旭；顾培夫
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 金属介质结构表面等离子体激元光子晶体光子禁带时域有限差分传输矩阵全角度透射滤光法布里-珀罗滤光片偏振分光镜负折射亚波长成像
分类号: TB383.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

金属薄膜是光学薄膜重要的组成部分,具有反射高、截止宽、偏振小、导电性、成本低(层数少)以及能激发表面等离子体激元(SPPs)等特点,因而在宽域反射器、太阳能收集器、宽带消偏振器、传感器和隔离电磁波等方面都有重要应用。本文主要涉及基于金属薄膜制备技术的各种新型器件的研究,包括数值模拟计算方法和金属介质薄膜结构特殊光子效应的理论研究以及金属介质薄膜器件的制备和特性测试。对可见光区域金属介质薄膜全角度透射滤光片,一维金属介质周期薄膜中的负折射、偏振分束和完全带隙效应以及金属薄膜近场成像进行了研究。研究结果主要包括:1.提出了金属介质法布里-珀罗(FP)滤光片在TM偏振下选择合适的参数可以实现全角度窄带透射滤光。这个全角度透射带是由于在任意入射角度下,光线在两个金属层/间隔层界面上的反射相移和在间隔层中的传输相移的总和刚好接近2π。采用Air/Ag/ZnS/Ag/Glass结构,在实验上证实了全角度窄带透射滤光;另外在结构中引入减反膜来增加滤光片的透射率。根据高折射率介质材料和金属的低角度效应,设计了一种新型窄带滤光片,入射角度变化时中心波长移动较少,却保持了较好的滤光特性。通过计算和实验,证明该滤光片能在较大入射角和光锥角入射的自然光下实现比传统介质FP窄带滤光片更好的性能。研究了金属介质周期薄膜结构的投影能带图,发现能在TM偏振下实现金角度宽带透射滤光。利用电磁波理论中的边界条件分析了其物理机理,并实验制备了Ag/ZnS膜堆,验证了其全角度滤光特性。使用合适的参数,该滤光片可以在不同的波段实现全角度滤波。2.介绍了一维金属介质周期结构中的负折射效应,并且利用数值方法实现了近似为-1的等效折射率。在考虑实际材料参数的情况下,分析了该结构的复Bloch波矢,表明材料吸收不只降低了结构的透射率,也改变了光在结构中的折射角;提出了另一种材料组合的结构,对吸收的影响不敏感但仍然具有接近-1的等效折射率。根据TM偏振光和TE偏振光在一维金属介质周期结构中的不同折射现象,设计了偏振分束器。利用高斯光束频谱展开法模拟了该结构的分光特性,表明可以在宽波段宽角度实现双透射式偏振分光。3.一维介质材料构成的结构只能实现部分带隙,而我们发现一维金属介质周期结构能在TM偏振下实现完全带隙,限制结构中的光向任意方向传播,这个完全带隙是周期方向上Bragg散射和界面方向上的金属-介质-金属波导截止效应共同作用的结果;通过数学证明讨论了实现完全带隙的一个充分条件;并且利用传输矩阵法以及时域有限差分法模拟证实了该完全带隙能在实际金属介质材料中实现。4.根据表面等离子体色散关系以及基于等离子体物理模型的时域有限差分方法模拟了单层金属薄膜结构的近场成像特性。利用单层金属银薄膜对周期为1μm光栅进行了曝光成像实验。分析了一维金属介质周期结构中的自准直效应,并且利用实际材料模拟了该结构中的近场亚波长成像。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
1 绪论  12-32
  1.1 金属薄膜概论  12-18
    1.1.1 金属薄膜的光学特性  12-13
    1.1.2 金属薄膜的应用  13-18
  1.2 金属表面等离子体激元  18-23
  1.3 金属介质光子晶体结构  23-26
  1.5 本论文的研究意义、内容以及创新点  26-28
  参考文献  28-32
2 理论计算方法  32-44
  2.1 引言  32
  2.2 一维光子晶体的电磁波理论  32-36
  2.3 时域有限差分方法  36-40
  2.4 高斯光束频谱展开法  40-41
  2.5 本章小结  41-42
  参考文献  42-44
3 全角度透射滤光片  44-64
  3.1 引言  44-45
  3.2 全角度窄带透射滤光片  45-51
    3.2.1 理论分析  45-50
    3.2.2 实验制备及讨论  50-51
  3.3 低角度效应的窄带透射滤光片  51-56
    3.3.1 FPF和新型滤光片的角度特性  52-55
    3.3.2 实验制备及测试  55-56
  3.4 全角度宽带透射滤光片  56-62
    3.4.1 全角度宽带滤光片的设计  56-60
    3.4.2 实验结果  60-62
  3.5 本章小结  62
  参考文献  62-64
4 一维金属介质薄膜负折射现象及二维完全带隙  64-88
  4.1 一维金属介质薄膜中实现等效折射率-1  64-71
    4.1.1 负折射现象  64-65
    4.1.2 1D金属介质周期结构中实现等效折射率为-1的负折射  65-67
    4.1.3 材料吸收对负折射现象的影响  67-71
  4.2 基于正负折射的偏振分束  71-75
  4.3 二维完全带隙  75-83
    4.3.1 1D金属介质周期结构中的完全带隙及其数学证明  77-80
    4.3.2 完全带隙的物理机理  80-83
  4.4 本章小结  83-84
  参考文献  84-88
5 金属薄膜器件近场成像特性的研究  88-102
  5.1 引言  88-89
  5.2 单层金属薄膜近场成像  89-94
    5.2.1 单层金属薄膜近场成像模拟和理论分析  89-91
    5.2.2 金属薄膜近场成像实验  91-94
  5.3 一维金属介质周期薄膜的近场成像研究  94-98
    5.3.1 1D金属介质周期薄膜及其色散曲线  94-95
    5.3.2 1D金属介质周期薄膜近场成像分辨能力的分析  95-98
  5.4 本章结论  98
  参考文献  98-102
6 论文的总结与展望  102-104
攻读博士学位期间发表的论文  104

金属介质薄膜结构的研究与制备

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