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表面等离激元(SPPs)是沿着介质-金属表面传播的波,它可以限制电磁场的空间分布并且实现电磁场的增强效应。近年来,对SPPs的原理、新颖效应以及机制的探究都引起了人们的极大兴趣。SPPs在亚波长小孔透射增强、突破衍射极限的高分辨率成像、纳米尺度上的光传导和光操控、单分子生物探测等领域具有广阔的应用前景。
SPPs的高反射率在实现SPPs谐振腔方面具有非常重要的应用价值。目前实现SPPs反射的主要方法是在金属表面刻槽。这种结构有较强的反射,但是衍射损耗也较高。另一种可行方法是利用SPPs的传播模式随介质介电常数的变化,在介质层中做适当结构来实现SPPs的反射。这种方法衍射损耗低,但由于各模式之间的差别比较小,得到的SPPs的反射率比较低。本文重点研究SPPs在反对称半无限介质-金属中的反射和透射,反对称半无限介质-金属结构中衍射损耗较小,而且容易实现模式之间的耦合,能够得到SPPs的高反射率,可以很好地控制反射SPPs的能量和方向性。
半无限介质-金属结构中的TM波模式是连续的,电磁场分布为积分形式。为解决归一化问题,我们首先将光场限制在有限范围,将所有正交的离散本征模式叠加得到该结构中电磁场的分布,各模式由传播常数的取值决定。将介质和金属的位置反转,同样写出所有离散的本征模式。考虑二者组成的反对称结构,通过分析电磁场切向分量在边界处的连续条件得到各模式反射系数和透射系数的矩阵方程,从而得到SPPs的反射率和透射率。然后,让该有限范围趋向于无穷,略去小量,根据矩阵表达式得到正入射SPPs反射系数和透射系数的近似解析表达式。在正入射SPPs的研究基础上,进一步分析了斜入射SPPs的反射和透射。相对于正入射情形,边界处电场的切向分量未发生改变,磁场的切向分量取决于入射角,由磁场的边界条件得到的各模式反射系数和透射系数的矩阵表达式与入射角有关,因此斜入射SPPs的反射系数和透射系数的近似解析表达式是入射角的函数。另外,本文还分别讨论了SPPs和散射波能量比率随入射角的变化。