毕业答辩-表面等离子体波的纵向耦合调控.ppt

毕业答辩,论文题目：表面等离子体的纵向耦合调控指导老师：学生姓名：学号：班级：应用物理11-2班,论文提纲,1.绪论2.表面等离子体综述3.SPs纵向耦合的波导理论分析4.SPs纵向耦合调控研究5.论文小结,1.研究背景与意义,根据表面等离子体的基本性质，SPPs可以存在于金属的表面沿着金属介质分界面传播，但在垂直于金属介质分界面的方向即纵向传播方向呈指数型衰减。,1.研究背景与意义,我们便可利用表面等离子体波的局域性和增强性，借助于波导结构，解决SPs纵向衰减的问题。为操控SPs在平面多层结构中的能量耦合、转化等提供了重要的参考依据。SPs纵向耦合的操控方法，将在生物细胞的超分辨成像、纳米光刻与微加工等领域有很好的应用前景。,2.理论计算-磁场强度计算,SPs是TM波对TM导模和传播常数满足的亥姆赫兹方程,2.理论计算-磁场强度计算,解上述方程得到磁场强度大小：,2.理论计算-系数关系推导,由边值条件：得到：和在分界面处连续。,2.理论计算-系数关系推导,结合上述公式：,3.SPs纵向耦合研究激发方式,根据表面等离子体的色散关系，入射光波和等离子体波的波矢之间存在一个差值，导致SPs不能被直接激发。为了激发SPs,必须弥补二者的波矢差值，可以利用光栅或者棱镜来补偿入射光波和等离子体波的波矢间的差值，使之满足SPs的激发条件，激发表面等离子体。表面等离子体激元的色散关系图,3.SPs纵向耦合研究激发方式,光栅耦合法当电磁波入射到光栅表面时其波矢会发生改变，改变量为光栅倒格矢的整数倍。,3.SPs纵向耦合研究激发方式,棱镜耦合法（a）Kretschmann结构激发（b）双层Kretschmann结构激发（c）Otto结构激发在金属的上方加了一个棱镜，根据电磁场的边界条件，可以使得入射磁波的水平方向的波矢和SPs的波矢相等，激发出SPs。,3.SPs纵向耦合研究仿真模型,光栅常数为300nm，占空比为50%，光栅层构成为金属镉与空气，其下材料依次为PMMA胶，银层、光刻胶、下银层和二氧化硅基底。,4.上层银膜厚度对耦合效果影响,设光刻胶初始厚度40nm，下银层厚度为15nm，二氧化硅基底厚度为200nm，光栅厚度取40nm，波长为532nm的入射光垂直于此物理模型上表面照射，分别取上银层厚度（记为h_Ag0）为15nm、25nm、35nm和45nm,通过软件的仿真，并且以上层银膜下表面为参考面。,4.上层银膜厚度对耦合效果影响,当h_Ag0=35nm时，最大磁场强度值增大到3.4A/m，当相邻峰值近似相等。,4.上层银膜厚度对耦合效果影响,激发层银层的厚度应取35nm为佳，此时磁场强度峰值较高，且分布均匀，,5.光刻胶厚度对于耦合影响,将上层银膜的厚度固定为35nm，取下银层的厚度为15nm，光栅厚度为40nm，二氧化硅基底的厚度为200nm。光刻胶的厚度分别取30nm、40nm、50nm和60nm在532nm的垂直入射光照射下，分别以下层银膜上表面和下表面为参考平面,5.光刻胶厚度对于耦合影响,(a)h_ph=30nm时下层银膜上表面（右）和下表面（左）磁场强度分布图,5.光刻胶厚度对于耦合影响,(b)h_ph=40nm时下层银膜上表面（右）和下表面（左）磁场强度分布图,5.光刻胶厚度对于耦合影响,(c)h_ph=50nm时下层银膜上表面（右）和下表面（左）磁场强度分布图,5.光刻胶厚度对于耦合影响,(d)h_ph=60nm时下层银膜上表面（右）和下表面（左）磁场强度分布图,5.光刻胶厚度对于耦合影响,腔外h_ph=40nm时，峰值能量约为4.0A/m，相邻峰值也近似相等，均达到了准单一频率光输出的目的，故光刻胶厚度为40nm时SPs纵向耦合最强。,腔内与腔外不同的是，当腔内光刻胶厚度取40nm时，腔内的磁场强度达到最大值，而腔外的场强分布并不均匀。,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响,在532nm入射光的垂直照明下，固定上银层厚度h_Ag0=35nm,光刻胶厚度h_ph=40nm,二氧化硅基底的厚度为200nm我们进一步研究下银层厚度分别取5nm、10nm、15nm和20nm对于耦合效果的影响。,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响,(a)h_Ag=5nm(b)h_Ag=10nm,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响,(c)h_Ag=15nm(d)h_Ag=20nm,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响,h_Ag=5nm时，磁场主要分布在腔内，且分布较均匀，透射到硅基底的磁场强度较弱；而当下层银膜厚度h_Ag增加到10nm时，从仿真磁场分布我们得知，其腔内与腔外能量均有了明显的增加，并达到了最大值；,当银层厚度增大至20nm时，腔内的磁场明显减弱，能量主要集中在下层银膜的下表面即集中在腔外。,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响（腔内）,(a)h_Ag=5nm(b)h_Ag=10nm,6.下层银膜厚度对耦合效果的影响（腔内）,(c)h_Ag=15nm(d)h_Ag=20nm当下层银膜厚度取10nm时，腔内的磁场可以达到均匀分布的最大值，且腔外的磁场强度也比较高，物理上对应着倏逝波的纵向强耦合。,7.有无下银层对耦合效果的影响,为研究有无下银层对于耦合效果的具体影响，可取上银层厚度35nm，光刻胶厚度为40nm，下银层厚度10nm的最佳耦合厚度，其他条件与上述仿真保持一致。而在对照组中，将下层银膜层材料设置为二氧化硅基底，以下层银膜下表面为参考面，计算得到的二氧化硅基底上表面磁场强度分布对比图。,7.有无下银层对耦合效果的影响,（a）有厚度为10nm的银层（b）无下层银膜下层银膜下表面为参考面,7.有无下银层对耦合效果的影响,（a）有厚度为10nm的银层（b）无下层银膜,8.论文总结,在上述具体的理论和实验仿真的分析中，通过分析不同波导层的厚度对于纵向耦合的影响，得到了腔共振强耦合条件及相应的结构参数。研究发现，上、下层银膜与光刻胶层构成的共振腔相当于一个空间滤波器。上述研究成果将为表面等离基元在超衍射极限光刻、成像、传感及非线性光学等领域的应用提供良好的理论依据。,9.致谢,感谢我的论文指