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金属—介质—金属亚波长波导结构光学性质研究

作　者: 年四炎
导　师: 蔡祥宝
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学工程
关键词: 表面等离子体时域有限差分方法光栅结构等离子体共振
分类号: TN814
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种沿着导体表面传播的波,是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的激发态,利用SPPs与光场之间相互作用能实现对光传播的主动操纵和控制。利用SPPs开发的光子器件具有微型化、大容量、高集成等优点,为新型光子器件的发展提供了一个新的思路。本文就是在SPPs的理论基础上对新型纳米金属-介质-金属波导器件的特性进行了深入的研究,为其在实际中的应用提供了理论基础。本文的主要工作和研究成果包括以下几个方面:1.首先简述了与表面等离子体激元相关的理论,特别是表面等离子体的激发方式,为新型光波导结构的设计提供了思路。根据金属Drude模型,计算了金属Ag在不同波段对应的Drude参数,为数值仿真提供了依据。2.在分析了SPPs的激发、传播和耦合规律的基础上,设计了一种新型的金属-介质-金属单通道光栅结构波导,利用FDTD方法对其进行数值仿真,仿真结果与相同外界条件下普通单通道直波导的结果进行了对比,发现利用光栅激发SPPs的手段是可行的,并且单通道光栅波导比起直波导具有明显的滤波效果。3.通过单通道光栅波导的分析,肯定了光栅激发SPPs的作用,为了克服单通道中栅条阻碍表面等离子体波传播的缺点,对单通道光栅波导进行优化,设计出了具有对称结构的双通道光栅波导。双通道波导利用上通道激发、选频,利用下通道把SPPs波以光子的形式辐射出去。该结构不仅可以起到滤波效果,而且出射光场强也很高。4.利用时域有限差分方法,在不同结构参数下,对输出光波的场强与波长的关系进行了分析,找出了最大输出光强对应的中心波长与结构参数的关系。这一结果为研制基于SPPs的新型滤波器提供了参考。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 引言  9-10
  1.2 表面等离子体研究的发展  10-11
  1.3 SPPS 传导的结构形式  11-14
  1.4 SPPS 在光子器件中的应用  14-15
  1.5 本文的主要内容和结构  15-17
第二章表面等离子体激元理论  17-24
  2.1 表面等离子体激元的基本概念  17-18
  2.2 表面等离子体激元的色散关系  18-20
  2.3 表面等离子体激元的三种激发方式  20-22
  2.4 表面等离子激元的四个特征长度  22-24
第三章时域有限差分方法  24-33
  3.1 时域有限差分方法的概述  24-25
  3.2 时域有限差分方法的理论  25-31
    3.2.1 麦克斯韦方程的FDTD 形式  25-29
    3.2.2 FDTD 的边界条件  29
    3.2.3 FDTD 的数值稳定性  29-30
    3.2.4 激励源的设置  30-31
  3.3 数值计算的几种方法  31-33
第四章金属-介质-金属亚波长波导结构性质研究  33-55
  4.1 金属的光学特性  33-36
  4.2 金属中波的传输模式  36-38
  4.3 金属-介质-金属结构的意义与研究  38-39
  4.4 新型金属-介质-金属结构滤波器  39-55
    4.4.1 结构设计  39-46
    4.4.2 数值仿真及结果分析  46-55
第五章总结与展望  55-58
致谢  58-59
参考文献  59-64
硕士研究生期间发表的论文  64

金属—介质—金属亚波长波导结构光学性质研究

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