表面等离子体结构聚焦和吸收特性的研究

【摘要】表面等离子体是金属表面的自由电子和入射光波之间相互作用而形成的一种电磁波。虽然科学家对表面等离子体的研究已有100多年的历史。但是早期由于受工艺水平的限制，微纳尺寸的电子元件难以制备，因而表面等离子体显现不出它独特的性质，不为人们所重视。而现如今，随着科技的迅猛发展，特别是微米和纳米尺度的电子元件和回路的制作技术日臻成熟所以表面等离子体又重新得到人们的关注。表面等离子体具有近场增强的特性，因此近期很多工作都致力于利用该特性来实现对传统激光器、传感器和太阳能电池等器件的小型化，尽可能在纳米尺度范围内研发出新一代产品。在本论文中，基于FDTDSolutions软件，设计了一些表面等离子体结构的光子器件，深入到了对聚焦和吸收这两个方面。在研究表面等离子体结构的聚焦特性时，设计了椭圆环光栅等离子体透镜。该结构是在Ag膜上中心刻蚀一个椭圆小孔，并刻蚀五个同心椭圆环。仿真的结果表明当椭圆环x与y方向长度比率从1变化到0.1的过程中，比率分别与距离该等离子体透镜20nm处聚焦斑x和y方向的半高宽成线性相关。此外，该比率还与聚焦斑x和y方向半高宽之比成线性相关。在此过程中，实现了聚焦斑尺寸从96nm126nm到15nm52nm的调制。而当椭圆环x与y方向长度比率从1变化到2的过程中，并不存在线性关系。在研究表面等离子体结构吸收特性时，设计了基于超材料的表面等离子体纳米柱和纳米环柱这两种吸收器，并分析其在可见光波段的吸收特性。首先给出了所设计的两种吸收器的具体结构参数并且讨论了改变设置参数对结构吸收率的影响。此外，还分析了这两种吸收器在宽波段、对不同偏振态的入射光、大角度入射光这三种情况下的吸收效果。最后具体分析了这两种吸收器的吸收机理。通过对各个波长处的电场强度|Ex|和磁场|Hy|及能流的分布，得到了纳米柱吸收器是由局域表面等离子体共振和慢波效应的共同作用使得其在可见光波段的吸收效果很好而纳米环柱吸收器是由局域表面等离子体共振和法布里伯罗共振的共同作用引起的。
【作者】曹水艳；
【导师】王成；鱼卫星；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，光学，2013，硕士
【关键词】表面等离子体；FDTDSolutions软件；表面等离子体透镜；表面等离子体吸收器；

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