多层金属—介质光子晶体近红外波段光学特性的研究

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表面等离子激元(SurfacePlasmonPolaritons)或表面等离子体(SurfacePlasmon)是在电介质和导体界面间激发的一种电磁波,并且通常被限定在界面的垂直方向上形成倏逝波。这种在界面上传播的电磁波是通过电磁场和导体的电子等离子体相耦合而形成的。随着当前表面加工工艺的进一步发展,各种新型的激发表面等离子激元的结构被开发出来,从而进一步拓展了表面等离子激元的运用。有效地激发表面等离子体的结构不仅可以更好地改变器件的性能,同时,新型的结构可以产生新的物理现象和实现新的功能。金属二维孔阵列的超强透射效应(Extra-OrdinaryTransmission)拓展了表面等离子激元在光学传感上的应用。另外,结合表面等离子体和材料热辐射特性制作的红外辐射源使得辐射源可以具有窄带宽辐射特性。  本文在阐述了表面等离子极化原理的基础之上利用基于时域有限差(FDTD)方法的计算软件,研究了二维金属光子晶体结构在表面等离子体中的运用。通过对多层光子晶体结构进行建模仿真来分析其在近红外波段的光学特性,研究并总结了结构参数和材料属性等对光学特性的影响。同时,本文的研究方向处于近红外波段,为在该波段上进行近红外辐射器或者气体探测等多方面的研究做铺垫。本文主要研究工作如下:  (1)针对金属-介质-介质构成的三层结构,研究了该结构嵌有周期性排列的圆孔阵列时的光透射特性,研究了金属表面等离子体的激发对结构透射特性的影响。比较了圆孔呈四边形排列和正六边形排列两种情况下结构的透射谱线特征,分析了谱线的峰值同金属材料及等离子极化共振模式之间的关系。通过模拟对比发现,圆孔呈正六边形排列的结构的透射谱线具有更好的选谱特性,而四边形晶格则通常有亚峰值,使得其频谱选择性较差。  (2)研究了银-二氧化硅-银三层光子晶体结构的吸收谱线,发现其吸收谱线具有随着二氧化硅厚度减少而存在的红移现象;分析了二氧化硅厚度对等离子体激发模式的影响。通过分析得知,两个银-二氧化硅界面上表面等离子激元的相互耦合导致了结构吸收峰值出现红移现象。另外,两个银-二氧化硅界面处表面等离子体的耦合同时会对可以激发的表面等离子模式进行选择。
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