（凝聚态物理专业论文）spp的电介质光栅激发及其波导.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 窒! 亟塞 日期： z 型：兰：兰2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：型歪墨日期：型：兰：兰2 导师签名： 塑! l 亟垒坠 日期： 竺! ! ：苎：兰2 学位论文数据集 中图分类号 0 43 学科分类号 1 4 0 5 0 论文编号 10 0 10 2 0 1 l0 9 7 3 密级 学位授予单位代码 10 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 罗永其 学号 2 0 0 8 0 0 0 9 7 3 获学位专业名称 凝聚态物理 获学位专业代码 0 7 0 20 5 课题来源 自选项目 研究方向 s p p 亚波长光学 论文题目s p p 的电介质光栅激发及其波导 关键词表面等离子体激元，时域有限差分法，光栅耦合 论文答辩日期 2 0 1o 5 2 1事论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师刘丽敏副教授北京化工大学凝聚态物理 评阅人1荆坚教授北京化工大学凝聚态物理 评阅人2刘玉龙研究员中科院物理所 凝聚态物理 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席陈信义教授清华大学 凝聚态物理 答辩委员1曹茂盛教授北京理工大学凝聚态物理 答辩委员2盛新志教授北京交通大学凝聚态物理 答辩委员3孟庆云教授北京化工大学 凝聚态物理 答辩委员4荆坚教授北京化工大学凝聚态物理 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查 询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 i v 摘要 s p p 的电介质光栅激发及其波导 摘要 表面等离子体激元( s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ，s p p s ) 是指局域 在金属表面的自由振荡的电子和光子相互作用产生的沿着金属表面 传播的电磁场模。 表面等离子体的激发能够使人们利用金属等导体来实现对光传 播的主动操控，通过改变金属等导体表面的( 亚波长) 结构，它的性质， 特别是与光相互作用的特性如色散关系、激发模式、耦合效应等也会 随之发生变化。目前，表面等离子体是纳米光子学的一个非常重要的 研究方向，它的原理、新颖效应和其机制的探究都深深地吸引着科学 家们。由于s p p s 具有独特的光学特性，其应用前景非常广阔，在光 存储，光激发，显微术，亚波长光学以及生物光子学等领域都得到了 广泛和深入的研究应用。 要准确探究表面等离子体亚波长光学原理，必须严格求解m a x w e l l 方程组，这是因为s p p s 是由外来电磁场激发导致的金属等导体中自由 电荷密度涨落，产生集体振荡辐射出电磁模的形式，这就要求它必须 满足电磁场的基本方程。目前，时域有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d ，f d t d ) 是一种成功的在时域上求解m a x w e l l 方程组的 数值模拟方法。 本文第一章首先简单介绍了课题的研究背景及选题意义；第二章 北京化t 人学硕l ：论义 详细介绍了s p p s 的基本性质和原理，包括其色散关系，特征参数以及 激发模式，并阐述了s p p s 的各种新颖效应和重要应用；第三章着重介 绍了f d t d 方法的基本思想和特点；第四章讨论金属光栅耦合结构s p p s 的激发特性；第五章研究金属衬底上电介质光栅耦合结构s p p s 的激发 特性，考察了s p p s 激发与光栅深度d 的关系；第六章对论文工作进行了 总结与展望。 基于s p p s 发展起来的表面等离子体光子学( p l a s m o n i c s ) 包含非 常广泛的研究内容。随着纳米科学的发展，以s p p s 为基础的研究日益 活跃，发现了许多新现象和提出许多新问题，展示了巨大的应用前景。 关键词：表面等离子体激元，时域有限差分法，光栅耦合 a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o no fs p pi nt h ed i e l e c t r i cg r a t i n ga n di t s w a v e g u i o e l a b s t r a ct s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n sa r ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e st h a tp r o p a g a t e a l o n gt h es u r f a c eo f am e t a l ，w h i c ha r el o c a l i z e do nt h es u r f a c eo fam e t a l b yt h ei n t e r a c t i o no ff r e e e l e c t r o n sa n dp h o t o n s t h ee x c i t a t i o no fs u r f a c ep l a s m o nw i l le n a b l ep e o p l et ou s ec o n d u c t o r s s u c ha sm e t a lt oa c h i e v et h ea c t i v ec o n t r o lo fl i g h tt r a n s m i s s i o n b y a l t e r i n gt h es u r f a c eo ft h ec o n d u c t o r s ( s u b w a v e l e n g t h ) s t r u c t u r e ，i t s p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yt h ei n t e r a c t i o nw i t ht h eo p t i c a lp r o p e r t i e ss u c ha s d i s p e r s i o nr e l a t i o n s ，e x c i t a t i o nm o d e ，a n dc o u p l i n g e f f e c t sc a nb e s i g n i f i c a n t l yc h a n g e d a tp r e s e n t ，t h es u r f a c ep l a s m o ni sav e r yi m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o ni nn a n o - p h o t o n i c s ，a n di t sp r i n c i p l e s ，n e we f f e c t sa n d t h er e s e a r c ho fi t sm e c h a n i s mh a v ef a s c i n a t e ds c i e n t i s t s b e c a u s eo ft h e u n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e so fs p p s ，i t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti sv e r yb r o a d ， w h i c hh a sb e e ne x t e n s i v ea n di n d e p t hr e s e a r c ha p p l i c a t i o n si no p t i c a l s t o r a g e ，l i g h te x c i t a t i o n ，m i c r o s c o p y ，s u b w a v e l e n g t ho p t i c s a n d b i o - p h o t o n i c s t oa c c u r a t e l y e x p l o r e t h es u r f a c ep l a s m o n s u b w a v e l e n g t ho p t i c s ， m a x w e l le q u a t i o n sm u s tb es o l v e de x a c t l y ，b e c a u s et h es p p sa r ee x c i t e d i l l 北京化t 人学硕，i j 论文 b ye x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，w h i c hl e a dt of r e ec h a r g ed e n s i t y f l u c t u a t i o ni nt h em e t a lc o n d u c t o r ，r e s u l t i n gi nac o l l e c t i v eo s c i l l a t i o n m o d ei nt h ef o r mo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n t h i sr e q u i r e st h a ti tm u s t m e e tt h eb a s i ce q u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c u r r e n t l y ，f d t d m e t h o d ( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o d ，f d t d ) i sas u c c e s s f u l n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os o l v em a x w e l le q u a t i o n si nt h et i m ed o m a i n t h i sf i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e o ft h et o p i c t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r o p e r t i e so fs p p s a n d p r i n c i p l e s ，i n c l u d i n g t h e d i s p e r s i o nr e l a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s a n dt h ee x c i t a t i o nm o d e ，a n d e x p o u n d s t h en o v e l s u b w a v e l e n g t ho p t i c se f f e c ta n dan u m b e ro fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so f s p p s i nc h a p t e r3w ef o c u so nt h eb a s i ci d e aa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e f d t dm e t h o d t h ef o u r t hc h a p t e rd i s c u s s e st h ee x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fs p p si nt h em e t a lg r a t i n g i nc h a p t e r5w er e s e a r c ht h ee x c i t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs p p si nt h ed i e l e c t r i c g r a t i n g ，a n d r e v i e wt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p p se x c i t a t i o n a n dt h e g r a t i n gd e p t h i n c h a p t e r6w es u m m a r i z e t h et h e s i sw o r ka n dp r o s p e c t s t h es u r f a c ep l a s m o np h o t o n i c s ( p l a s m o n i c s ) b a s eo ns p p sw h i c h c o n t a i n sa v e r y e x t e n s i v er e s e a r c h w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f n a n o s c i e n c e ，t h er e s e a r c hh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ya c t i v e ，d i s c o v e r s m a n yn e wp h e n o m e n aa n dr a i s e sm a n yn e wi s s u e s ，w h i c hh a sb e e n s h o w i n g ag r e a tp r o s p e c t i v a b s t r a c t k e y w o r d s ：s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ；f d t dm e t h o d ；t h eg r a t i n g c o u p li n g v 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 引。言1 1 2 课题的研究背景2 1 3 论文选题的目的和意义3 1 4 本章小结3 第二章s p p s 的基本理论和应用5 2 1 等离子体激元的产生5 2 2 表面等离子体激元的色散关系一5 2 3 表面等离子体激元的特征长度8 2 3 1s p p s 波长9 2 3 2s p p s 的传递长度9 2 3 3s p p s 的趋肤深度1 0 2 4 表面等离子体激元的激励方式1 0 2 4 1 衰减全反射11 2 4 2 光栅耦合1 4 2 4 3 粗糙表面散射1 4 2 5 表面等离子体激元的研究和应用1 5 2 5 1s p p s 亚波长光学新颖效应1 5 2 5 2s p p s 的重要应用1 8 2 6 本章小结2 0 第三章数值模拟计算的理论基础2 l 3 1 引言2 1 3 2y e e 元胞网格与基本差分形式一2 1 3 2 1y e e 元胞网格及其优点2 1 v i i 北京化t 人学顾i j 论义 3 2 2m a x w e l l 方程在y e e 网格下的差分形式2 3 3 2 3 数值稳定条件与数值色散2 5 3 3 吸收边界条件和入射波的引入2 7 3 3 1 吸收边界条件的必要性2 7 3 3 2 完全匹配层吸收边界2 7 3 3 3 引入入射波的方法一2 8 3 4 三种色散介质模型的介电常数2 8 3 4 1d r u d e 模型2 9 3 4 2l o r e n t z 模型2 9 3 4 3l o r e n t z d r u d e 模型2 9 3 5 周期结构的边界条件2 9 3 6 本章小结3 0 第四章金属光栅耦合结构s p p s 的激发特性3 l 4 1 金属刻槽光栅结构3 1 4 2 用f d t d 数值模拟s p p s 激发特性3 1 4 3 数值模拟与理论值的比较3 2 4 4 讨论s p p s 激发与光栅深度d 的关系“3 3 4 4 1 利用f d t d 来模拟反射率曲线3 3 4 4 2 理论分析d 在s p p s 耦合中的作用3 4 4 5 本章小结3 5 第五章金属衬底上电介质光栅耦合结构s p p s 的激发特性3 7 5 1 电介质光栅激发s p p s 一3 7 5 1 1 数值模拟与理论计算的比较一3 8 5 1 2 光栅深度d 的影响3 8 5 1 3 采用电介质光栅激发s p p s 的优点3 9 5 2f d t d 模拟新型波导一3 9 5 2 1 新型波导3 9 5 2 2 电介质波导4 0 5 3 需要解决的问题4 l v i l l 5 4 本章小结4 2 第六章总结与展望4 3 致谢。4 3 参考文献。4 5 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n l 1 2t h e b a c k g r o u n do ft h es u b j e c t 2 1 3t h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t 3 1 4 s u m m a r y 3 c h a p t e r 2t h e o r e t i c a lb a s i so fs p p s 5 2 1p l a s m o ng e n e r a t i o no r i g i n 5 2 2t h ed i s p e r s i o nr e l a t i o n s h i po fs u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s 5 2 3t h ec h a r a c t e r i s t i cl e n g t h so fs u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s 8 2 3 1w a v e l e n g t ho fs p p s 9 2 3 2t r a n s f e rl e n g t ho fs p p s 9 2 3 3s k i nd e p t ho fs p p s 1 0 2 4t h ee x c i t a t i o nm e c h a n i s mo fs p p s 10 2 4 1a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n 11 2 4 2g r a t i n gc o u p l i n g 1 4 2 4 3r o u g hs u r f a c es c a t t e r i n g 1 4 2 5t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h es u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s 1 5 2 5 1t h en e we f f e c to f t h es u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n ss u b w a v e l e n g t ho p t i c s 1 5 2 5 2t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fs p p s 18 2 6 s u m m a r y 。2 0 c h a p t e r3t h et h e o r e t i c a lb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 21 3 1i n t r o d u c t i o n 2 l 3 2y e ec e l la n db a s i cd i f f e r e n c ef c i r i l l 2 1 3 2 1y e ec e l la n di t sa d v a n t a g e 2 1 3 2 2t h ed i f f e r e n c ef o r mo ft h em a x w e l le q u a t i o ni ny e ec e l l 2 3 i x 北京化t 人学硕i j 论义 3 2 3n u m e r i c a ls t a b i l i t ya n dn u m e r i c a ld i s p e r s i o n 2 5 3 3 a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h ei n c i d e n t iw a v e 2 7 3 3 1t h en e c e s s i t yo fa b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n 2 7 3 3 2p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e ra b s o r b i n gb o u n d a r y 2 7 3 3 3t h e m e t h o do fi n t r o d u c i n gt h ei n c i d e n tw a v e 2 8 3 4t h et h r e ed i e l e c t r i cf u n c t i o no ft h e s ed i s p e r s i v em e d i u m 2 8 3 4 1d r u d em o d e l 2 9 3 4 2l o r e n t zm o d e l 2 9 3 4 3l o r e n t z - d r u d em o d e l 2 9 3 5t h ep e r i o d i cs t r u c t u r eo ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n 2 9 3 6 s u m m a r y 3 0 c h a p t e r 4t h ee x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs p p si nm e t a lg r a t i n g 31 4 1t h es t r u c t u r eo ft h em e t a lg r a t i n g 31 4 2t h ef d t ds i m u l a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs p p s 31 4 3t h ec o m p a r i s o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a lv a l u e 3 2 4 4t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p p se x c i t a t i o na n dg r a t i n gd e p t h 3 3 4 4 1t h ef d t ds i m u l a t i o no f t h er e f l e c t i v i t yc u r v e 3 3 4 4 2t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h er o l eo fg r a t i n gd e p t hi nt h ec o u p l i n g 3 4 4 5 s u m m a r y 3 5 c h a p t e r 5t h ee x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs p p si nd i e l e c t r i cg r a t i n g3 7 5 1t h ee x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs p p si nd i e l e c t r i cg r a t i n g 3 7 5 1 1t h ec o m p a r i s o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a lv a l u e 3 8 5 1 2t h er o l eo fg r a t i n gd e p t hi nt h ec o u p l i n g 3 8 5 1 3t h ea d v a n t a g eo ft h ed i e l e c t r i cg r a t i n g 3 9 5 2t h ef d t ds i m u l a t i o no ft h en e ww a v e g u i d e 3 9 5 2 1t h en e w s t y l ew a v e g u i d e 3 9 5 2 2t h ed i e l e c t r i cw a v e g u i d e 4 0 5 3t h ep r o b l e m st ob es o l v e d 4 1 5 4 s u m m a r y 4 2 x c o n t e n t s c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n do u t l o o k 4 3 a c k n o w l e d g e m e n t 4 3 r e f e r e n c e s z 1 5 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代信息科学技术的发展，人们对生活和工作的要求也逐渐提高，电 子产品越来越小巧便携，信息传递越来越安全和迅速，这需要科学技术能够提 供可靠的保障和支持。目前纳米技术的发展已经非常成熟，但由于传统光学的 基本原理和技术的限制，很难实现信息在纳米结构中的传输和处理，并且信息 社会对集成电路的集成度的要求越来越高，研究者们都在不断探索能够突破器 件尺寸极限的途径，这使得现代信息技术的发展遇到一个瓶颈。纳米光子学 ( n a n o p h o t o n i c s ) 在此背景下应运而生，成为一个崭新的前沿学科【l 】。它的一 个理想目的就是通过纳米技术，构建出与芯片具有相同功能的一种物质或器件， 从而实现数据的存储处理。纳米光子学是研究纳米结构中电子和光子相互作用 及其器件的一门学科，它会朝着纳米光电子集成的方向发展，其信息载体是光 学近场( n e a r f i e l do p t i c s ) ，通过光学近场与纳米量级的光学元器件的局域电磁 相互作用，进行纳米尺度光信息的保存，传输，处理，调控等。当今社会，世 界各国都意识到纳米光子学的巨大潜力和广阔的应用前景，对其基础理论研究 和元器件结构研究都投入了大量的人力和财力，特别是欧美同发达国家。而我 国已经把纳米光子学列入了国家科技规划，国内很多科学家也积极投身到对其 的研究当中。 现在国际上对纳米尺度的光信息操控的实现主要有两种方法。一种就是通过 构造周期性的光子晶体，并对晶体的带隙结构做适当的调整，可实现对光的色散 和传播性质的控制，比如己投入科学实验的滤波器、纳米微腔、波导等光互联器 件。另外一种就是以表面等离子体1 2 j ( s u r f a c ep l a s m o n sp o l a r i t i o n s ，s p p s ) 为基础， 利用s p p s 有效调控纳米尺度超衍射极限的光传输和增强场空间的局域，它被广泛 应用于信息科学、微纳米光子学、生物光学等领域。 众所周知，金属表面的集体电子激发在科学研究中发挥了关键作用。从物理 材料科学到生物学，各种集体电子激发都扮演着至关重要的角色，如表面等离子 体，体等离子体，多极等离子体以及最近科学家们预测的声表面等离子体。所谓 表面等离子体激元( s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t i o n s ，s p p s ) 是指局域在金属表面的自 由电子和光子相互作用形成的混合激发态【3 】。金属中的自由电子在光波的照射下， 北京化丁人学颔i j 论义 会与其具有相同共振频率的光波发生集体振荡，这就形成了具有独特性质的s p p s 。 通过改变金属等导体表面的( 亚波长) 结构，它的性质，特别是与光相互作用的特 性如色散关系、激发模式、耦合效应等也会随之发生变化，使得人们可以实现对 沿金属表面传播的电磁波场实现主动操控，这种操控性能使得s p p s 在光学和光子 学，特别是在亚波长光学中的理论研究和实际应用得到了广泛的重视，形成了“表 面等离子体亚波长光学”。另外，s p p s 还具有一个极具吸引力的特点，它可大大 地缩小集成光路和光子元件的尺寸，在未来纳米光子器件的设计、纳米芯片光电 集成的实现等领域的应用潜力巨大。本论文主要是通过表面等离子体的亚波长光 学原理，探究金属光栅结构和金属衬底上电介质光栅结构s p p s 的激发特性。 1 2 课题的研究背景 有关s p p s 的研究已有一百多年的历史。早在1 9 0 2 年，r w w o o d 4 l 在观测入 射光波照射到金属光栅的光学实验中，首次发现了实际是表面等离子体共振的电 磁效应现象。在1 9 4 1 年，u j f a n o 5 】等人发现在金属和空气界面上能够激发表面 电磁波，从而解释了这一现象。1 9 5 7 年，r h r i t c h i e 3 】在对高能电子的特征能量 损耗在薄膜余属表面上传播的分析中，预测了集体电子激发存在于金属表面，发 现了激发特性与金属薄膜的界面有关。两年后，c j p o w e l l 矛l j b s w a n 6 】通过一 系列的电子能量损失实验证实了r h r i t c h i e 提出的理论。1 9 6 0 年，e a s t e r n 和 r a f e r r e l l 7 】研究了产生表面等离子体共振的条件并首次提出了表面等离子体 ( s u r f a c ep l a s m o n ，s p ) 的概念。之后，人们对表面等离子体的理论和实验研究 取得了很大的进步，特别是它在凝聚态物理和表面物理学领域的研究，在解释各 种各样的实验和了解固体的各种基本特性方面扮演着关键角色。表面等离子体已 经应用在非常广泛的研究当中，从电化学，生物传感，到扫描隧道显微镜，纳米 颗粒生长，表面等离子体显微镜和表面等离子体共振技术。 s p p s 是沿着导体表面传播的电磁波，利用s p p s 元件能够解决光纤光缆尺寸与 电子元件在尺度上不兼容的这一困扰人们多年的难题。电磁场与导体中可迁移自 由电荷的相互作用辐射出电磁波，产生出一门全新的学科表面等离子体光子 学( p l a s m o n i c s ) 。由于表面等离子体光子学的诞生，突破了尺寸的限制，使基于表 面等离子体激元的元件和回路都可以达到纳米尺度，实现了光子与电子元器件在 纳米尺度上的完美结合，进而进行数字信息的保真传送。 近年来，对纳米材料的电磁特性研究的不断进步，使人们重新对表面等离子 体产生了浓厚的兴趣。其中，最具吸引力的方面是它在亚波长结构中的特性研究， 能够提高光在光学厚度金属薄膜上通过周期排列的亚波长孔，产生很多独特的新 第一章绪论 颖效应。表面等离子体的应用领域越来越广阔，有很多激动人心的新应用正在丌 发，以表面等离子体为基础的电路综合了纳米级的光子学和电子学，它可以作为 一种设计纳米级光子集成电路的基础，能够携带传递光信号和电流。表面等离子 体还可作为亚波长波导元件的特性、设计和制作的根据。 由于s p p s 在表面传播的距离非常有限，大约在微米或者纳米数量级，早期的 工艺技术水平限制了人们对它的研究，在纳米技术同益成熟的今天，再加上它的 许多新颖特性，使得人们对s p p s 的研究越来越关注，现己成为目前光学和光子学 中研究的热点和重点。 1 3 论文选题的目的和意义 本论文的研究目的主要包括以下几个方面：1 理论研究并深入了解s p p s 与 入射光相互作用的机制。2 探究s p p s 激发的方式，了解s p p s 的透射增强、聚束 效应等新现象的物理机制。3 结合s p p s 的物理特性和空间强烈的局域特性，阐 述当前采用亚波长结构的s p p s 若干重要应用，发现可以把光子和电子在纳米尺 度上进行融合，从而实现在纳米尺度对光子的路由、操纵。4 对当前s p p s 研究 方法进行概述，并利用f d t d 方法来模拟数值计算金属和电介质光栅的s p p s 特 性，并分析比较它们之间的差异，讨论光栅深度d 对s p p s 激发的影响，并设计 一种电介质波导。 这些工作为探究 光学元器件具有一定 1 4 本章小结 本章通过介绍表 说明了其在亚波长光 题的研究背景及选题 第二章s p p s 的坫本理论和j 柏用 第二章s p p s 的基本理论和应用 2 1 等离子体激元的产生 在金属内部存在有大量的自由电荷，它们在电磁场的作用下，就会形成一定数量 的等离子体振子。这些振子在特定的条件下，就可以与入射光进行耦合，辐射并传输 电磁波，其能量是量子化的。这种由等离子体振荡中等离子体电荷密度起伏引起的通 过等离子体传播的能量量子叫做等离子体激元( p l a s m ap o l a r i t o n s ) 。等离子体激元又 分为两种：体等离子体激元和表面等离子体激元，但两者的色散关系和性质不全相同。 体等离子体激元，指的是振荡电荷和与之相互作用的电磁波均局限于等离子体的 内部。表面等离子体激元( s p p s ) 是表面电子振荡与表面电磁波的一种混合模式，是 入射光子与局域在金属表面的自由电子相互耦合形成的一种混合激发态。当电磁波照 射到金属表面时，金属中可迁移的自由电子的电荷密度波将与入射电磁波发生耦合作 用，产生电荷密度的波动，激发s p p s 。感生的s p p s 会沿着金属表面传播，如图2 1 所示。 z 介质 金属 瓜瓜瓜瓜 。 p 乏笋逻罗鬻霁舅x 7 饧琵 图2 - 1 沿着界面传播的等离子体激元 f i g 2