基于表面等离子体激元的金属聚焦透镜的成像机理与优化设计

论文摘要

表面等离子体激元作为光波与金属中自由电子相互作用产生的电磁模式,能突破衍射极限实现亚波长光电回路的集成。随着加工的精密化,基于表面等离子体激元的亚波长光子集成器件在理论和实验上得到广泛研究。本文在总结表面等离子体激元的基本理论和实验的基础上,进行了亚波长金属聚焦透镜的成像分析和优化设计。第一部分提出金属聚焦透镜模型(金属双缝介质光栅修饰结构),并分析双缝和出射面介质光栅的物理参数对光传输的影响。首先针对金属聚焦透镜的研究现状,特别是单狭缝金属聚焦透镜存在的问题,阐述了金属双缝聚焦透镜的优势；其次利用波导色散、衍射光栅和严格耦合波等理论,分析得到了影响表面等离子体激元的有效折射率、光相位关系和激发表面等离子体激元共振角的物理参数。第二部分优化设计出多种调节焦长和聚焦偏转的方法,并指出各种方法的相对优势。焦长的调节有3种方法：1.改变中间介质柱的宽度,相比于金属单缝结构啁啾表面介质光栅的周期,降低了加工介质的数目；2.改变表面介质光栅的形状,可实现焦长大范围调节；3.改变介质光栅厚度的线性分布,最大调节范围可达1.16μm,远大于金属凹槽曲面结构的0.77μm,而且金属镀膜相对于挖槽易于精确加工。同时聚焦偏转的调节主要有2种方法：1.不对称改变双缝的物理参数(填充介质折射率和缝宽),特别是不对称改变折射率最大偏转角可达25°,相对于不对称调整单缝结构两侧介质光栅的周期,易于调节和加工；2.改变矩形光束入射角,在聚焦结构中也可实现一定角度的聚焦偏转。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 SPPs的研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于SPPs的光子集成器件的研究现状
• 1.2.2 SPPs的理论研究现状
• 1.2.3 SPPs在光束调制光子器件设计方面的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 SPPs的基本理论和研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 金属模型
• 2.3 SPPs的色散关系和特征长度
• 2.3.1 色散关系
• 2.3.2 SPPs的波长
• 2.3.3 SPPs在界面上的传播距离
• 2.3.4 SPPs的穿透深度
• 2.4 SPPs的激发方式和加工工艺
• 2.4.1 SPPs的激发方式
• 2.4.2 SPPs的加工工艺
• 2.5 SPPs的计算方法
• 2.5.1 时域有限差分法
• 2.5.2 严格耦合波方法
• 2.5.3 有限元方法
• 2.5.4 传输矩阵法
• 2.6 本章小结
• 3 基于SPPs的金属聚焦透镜的成像机理
• 3.1 引言
• 3.2 本文研究的结构模型
• 3.2.1 介质-金属结构相对金属-金属结构的优势
• 3.2.2 双峰结构相对单缝结构的优势
• 3.2.3 本文采用的光束调节结构
• 3.3 双缝的物理参数对光传输的影响
• 3.3.1 MIM色散关系
• 3.3.2 影响缝间SPPs有效折射率的参数
• 3.3.3 双缝干涉的相位调节
• 3.4 表面介质光栅的物理参数对光传输的影响
• 3.4.1 光束聚焦的必要条件
• 3.4.2 出射光相位和能量的分析
• 3.4.3 衍射光出射方向的分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于SPPs的金属聚焦透镜的优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 影响聚焦效果共同物理参数的分析
• 4.2.1 介质光栅数目的影响
• 4.2.2 介质光栅厚度的影响
• 4.2.3 介质光栅填充比的影响
• 4.2.4 相对优异的聚焦模型
• 4.3 调节聚焦焦长的方法
• 4.3.1 不同的中间介质宽度实现焦长的调节
• 4.3.2 梯形介质光栅实现焦长的调节
• 4.3.3 介质光栅厚度的线性分布实现焦长的调节
• 4.4 调节聚焦偏转的方法
• 4.4.1 不对称改变缝间介质折射率实现聚焦偏转的调节
• 4.4.2 改变双缝宽度实现聚焦偏转的调节
• 4.4.3 改变矩形波入射角实现聚焦偏转的调节
• 4.5 模拟结果与实验值的比较
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文和学术活动