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基于表面等离子体激元的亚波长聚焦与光子晶体移相器的研究

作　者: 赵西宁
导　师: 张晓萍
学　校: 兰州大学
专　业: 无线电物理
关键词: 光子晶体移相器亚波长聚焦
分类号: TN623
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科学技术的迅猛发展,各项工艺技术都在向着微型精细的领域发展。尤其是对于高端纳米光学技术应用,如光集成器件、光学成像、光刻、光学信息存储、生物传感等领域,常常需要纳米量级的光学器件。然而,由于衍射极限的存在,限制了传统光学技术的进一步发展。因此,如何在纳米量级上实现光操控和突破衍射极限成为重要的研究方向。首先,基于零折射光子晶体研究分析,提出了一种工作在光学频段的光子晶体移相器。零折射率材料意味着光处于一种准无限大相速度和无限长波长状态,因此,当平面波从自由空间入射到零折射率材料区域,波在通过零折射率材料区域时就像这个区域不存在一样,离开零折射率材料区域时波的形态完全取决于入射时的形态,利用这个性质,将两个完全相同的零折射率光子晶体结构级联,通过调节两个光子晶体结构之间的距离,可以线性的改变入射波的相位。与此前复杂的电压调整相移器不同,这种相移器仅仅通过调整距离就可以十分方便的实现相移,与温度、电压、功率等无关,并且损耗极低,同时工作频率也与传统的相移器相比有了极大的提高,这在光集成电路中有着十分重要的作用。其次,基于表面等离子体激元,我们又自行设计了一种对称金属双缝介质光栅聚焦透镜模型,实现双向聚焦。接下来,我们通过改变光源与透镜之间距离,研究了距离对聚焦效果的影响。我们发现这种透镜模型的最优聚焦点每隔半个波长出现一次,在距离透镜501nm时,聚焦能量峰值达到1215,焦距达到2.67um,呈现出十分优异的聚焦特性,这对以后聚焦模型的设计与应用有重要的价值。最后,克服现有的聚焦透镜结构对入射波波长的依赖,我们又设计出一种对称金属双缝梯形介质光栅聚焦透镜模型,在入射波波长561nm到590nm范围内,以1nm为步长,仿真结果显示,聚焦点能量峰值从3缓慢下降到2.1,焦斑半径从438.5nm降低到347.7nm,焦距从2.4um下降到2.34um,也就是说在分辨率有所提高的情况下,聚焦能量并没有显著的降低,聚焦效果保持相对稳定,这在实际光子器件中有重要的应用前景。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
1 引言  8-10
2 光子晶体  10-18
  2.1 光子晶体概述  10-11
  2.2 光子晶体的理论研究方法  11-12
    2.2.1 平面波展开法  11-12
    2.2.2 传输矩阵法  12
    2.2.3 时域有限差分法  12
  2.3 光子晶体的制备  12-14
    2.3.1 机械加工法  13
    2.3.2 自组织法  13-14
    2.3.3 层层叠加法  14
    2.3.4 激光全息干涉法  14
  2.4 光子晶体的研究现状及应用  14-18
    2.4.1 光子晶体光纤(PCF)  15
    2.4.2 光子晶体滤波器  15
    2.4.3 光子晶体全光开关  15-16
    2.4.4 光子晶体负折射透镜成像  16-17
    2.4.5 光子晶体零折射  17-18
3 表面等离子体激元  18-22
  3.1 表面等离子体激元基本性质  18-19
  3.2 表面等离子体激元的激发方式  19-20
  3.3 表面等离子体激元的应用  20-22
    3.3.1 表面等离子体激元波导  20-21
    3.3.2 超分辨率成像  21
    3.3.3 纳米光刻  21-22
4 光子晶体移相器  22-27
  4.1 移相器的研究现状  22
  4.2 零折射率光子晶体结构  22-23
  4.3 光子晶体移相器  23-27
5 对称金属双缝介质光栅聚焦透镜  27-33
  5.1 金属介质光栅聚焦透镜的研究现状  27
  5.2 对称金属双缝介质光栅聚焦透镜的设计  27-29
  5.3 光源与透镜之间距离对聚焦特性的影响  29-31
  5.4 对称金属双缝梯形介质光栅聚焦透镜  31-33
6 总结与展望  33-34
参考文献  34-37
在校期间的研究成果  37-38
致谢  38

基于表面等离子体激元的亚波长聚焦与光子晶体移相器的研究

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