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亚波长金属十字孔结构在量子阱红外光探测器应用中的模拟研究

作　者: 王恒亮
导　师: 安正华；沈学础
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 表面等离极化激元局域表面等离激元近场电场增强法布里-珀罗腔
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

传统的量子阱红外光探测器(QWIP,Quantum Well Infrared Photodetector)探测效率低,利用亚波长金属孔微结构可以提高量子阱红外光探测器的光吸收效率,从而提高探测器的探测效率。金属中包含大量的自由电子,它们可以与电磁波耦合,在金属表面形成表面等离极化激元(SPP)。表面等离极化激元的电场局域在金属的表面,随着离开金属的距离呈指数衰减。金属孔结构可以激发表面等离极化激元产生独特的光学性质。如：透射增强、光学天线、负折射材料、荧光增强等。日前表面等离极化激元是科学界研究的热点方向。亚波长金属微纳结构是激发和控制表面等离极化激元的主要结构。表面等离极化激元的金属微纳结构的光子器件不仅能够改善传统器件的性能,而且还会产生一些新奇的物理现象和实现新的器件功能。本文研究了周期性亚波长金属十字孔阵列的近场电场增强特性。我们用时域有限差分(FDTD)方法模拟了一系列的周期性亚波长金属十字孔阵列的光学特性。1)光从空气-金属-量子阱材料(正面)入射,研究了表面等离极化激元(SPP)、局域表面等离激元(LSR)、透射增强(EOT)之间的关系。研究发现局域表面等离激元能够调节入射光与等离极化激元结构之间的耦合,表面等离极化激元能够维持光子-电子的长时间的共振,提高了光子的共振寿命。2)光从量子阱材料-金属-空气(背面)入射,此时金属孔是通的,研究了表面等离极化激元、局域表面等离激元、法布里-帕罗(F-P)腔、近场电场增强之间的关系。金属很薄时,虽然背面入射的反射光谱与正面入射的反射光谱相同,但是背面入射的近场电场增强要比正面入射的透射增强要强。在背面入射的结构中,我们利用的是金属-量子阱一侧的光,因此金属可以变得很厚。3)对于背面入射,透射到空气中的光是不会与量子阱中的电子耦合的,因此我们又设计了单端开口的十字孔金属光栅结构,研究了表面等离极化激元、局域表面等离激元、法布里一帕罗腔、近场电场增强之间的关系,此时,在量子阱处,有很高的电场分量,能够增加量子阱中电子与光子的耦合效率。这些研究亚波长周期性金属孔结构的方法,也适用于不同结构的耦合光栅的研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章引言  9-11
第二章表面等离极化激元的性质及其模拟理论  11-25
  2.1 表面等离极化激元的基本性质  11-19
  2.2 局域表而等离激元  19-22
  2.3 模拟理论(FDTD方法)  22-25
第三章周期性亚波长十字孔结构的透射近场特性  25-39
  3.1 引言  25
  3.2 周期性穿孔金属微结构的增强透射  25-26
  3.3 模拟结构和模拟的方法  26-28
  3.4 结果与分析  28-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章周期性亚波长十字孔结构的反射近场特性  39-56
  4.1 引言  39
  4.2 模拟结构和模拟方法  39-41
  4.3 结果与分析  41-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章单端开口的十字孔金属光栅的反射近场特性  56-70
  5.1 引言  56
  5.2 模拟结构和模拟方法  56-58
  5.3 结果与分析  58-69
  5.4 本章小结  69-70
第六章总结与展望  70-72
  6.1 工作总结  70-71
  6.2 工作展望  71-72
参考文献  72-77
硕士期间发表的论文  77-78
致谢  78-80

亚波长金属十字孔结构在量子阱红外光探测器应用中的模拟研究

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