资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共27页)
编号：91866988
类型：共享资源
大小：20.69MB
格式：ZIP
上传时间：2020-08-10
上传人：QQ14****9609
认证信息
个人认证
郭**（实名认证）
陕西
IP属地：陕西
15
积分
- 关 键 词：
-
表面
等离子体
纵向
耦合
调控
说明书
开题
- 资源描述：
-
表面等离子体的纵向耦合调控说明书及开题,表面,等离子体,纵向,耦合,调控,说明书,开题
- 内容简介：
-
目 录中文摘要2英文摘要3第一章 绪 论4 1.1 研究内容4 1.2 研究意义4第二章 表面等离子体综述 6 2.1 表面等离子体概念及其研究进展6 2.2 表面等离子体的激发条件及特性62.2.1 棱镜耦合法72.2.2 光栅耦合法8 2.3 表面等离子体场分布的空间调控8第三章 SPs纵向耦合的理论分析10 3.1麦克斯韦方程组和边界条件10 3.2 波动方程 11 3.3 SPs垂直腔共振耦合的理论分析12 3.3.1 磁场分布理论推导 12 3.3.2 系数矩阵关系 13 3.3.3 腔内能量分布关系 14第四章 SPs纵向耦合调控研究154.1 仿真模型概述 154.2 波导层厚度对耦合的影响 15 4.2.1 上层银膜厚度对耦合影响研究 15 4.2.2 光刻胶厚度对耦合影响研究 17 4.2.3 下层银膜厚度对耦合效果的影响研究 194.3 下层银膜的有无对耦合影响 21第五章 论文总结23致谢 25参考文献 26表面等离子体波的纵向耦合调控摘要：本文通介绍了SPs的基本概念及表面等离子体（SPs)在金属介质分界面处的基本性质及其特性，并综述了表面等离子体的研究发展。利用四层波导理论，进一步分析了平板波导内电磁场的分布以及腔内的能量分布，为表面等离子体波的纵向耦合调控提供了理论依据。利用电磁场的有限元方法，研究了各层波导层厚度等因素SPs的纵向耦合的影响因素，并给出了相应的最佳耦合效果的厚度。通过结构参数的优化，实现了SPs沿纵向传输的强耦合。最后，展望了该物理模型研究结果的应用前景。关键词:四层平板波导 表面等离子体 纵向耦合Abstract:In this paper, based on the basic properties and features of surface plasmons(SPs), we has carried on a review on the latest research development of Surface Plasmons. Using four layers waveguide theory ,we theoretically analyzed the mode of electromagnetic field and energy distribution in each slab waveguide, which provide us a theoretical insight for longitudinal coupling control of surface plasma wave.The Finite Element Method (FEM) for electromagnetic waves was used to investigate the influence of waveguide thickness and material on longitudinal coupling of SPs, and we found the optimal parameters of the structure corresponding to strong coupling in longitudinal direction. The offered by research on controlling of the longitudinal coupling and propagation for surface waves in multilayered structure will hold great potential in many applications such as superresolution imaging, sensing, etc.Keywords: Four slab waveguide theory; Surface Plasmons; longitudinal coupling.第一章.绪论1.1 研究内容在20世纪80年代，Agranovich对表面等离子体的应用工作已经作了系统而详细的综述。从1902年，实验中金属光栅异常现象的发现，一直到1960年，表面等离子体激元概念的首次提出，研究人员不断完善和发展SPs有关理论和应用。现如今，表面等离子体激元（SPPs）已经被广泛应用于近场光学技术、超透镜技术等一系列前沿技术当中，并且克服了传统工艺中的衍射极限限制，充分体现了SPPs自身的独特优点和巨大的应用前景。2005年，完美透镜理论的提出使得金属薄膜的纳米成像成为现实，并且大大提高了成像的分辨率。另外，通过金属波导阵列（MWA）和金属-介质-金属（MDM）结构又可实现负折射成像。而在有源光电子器件的应用于研究中，表面等离子体在提高器件地量子效率以及非线性光学中特殊效应的研究中均有很好的应用前景。表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是入射光和金属分界面处的自由电子相互作用从而诱发的传播模式。在金属和介质的分界面处，由于金属界面自由电子的共振，表面等离子体激元在金属介质表面会以倏逝电磁波的形式传播。通常，由于光波的动量和等离子体波的动量不匹配，从而不能满足SPPs的激发条件，使得表面等离子体不易被激发。带有孔径排列和周期分布的金属薄膜光栅可以补偿不匹配的动量进而激发SPPs。而通过平板波导结构，利用表面等离子体局域增强的特性，便可以实现SPs的纵向传播。本文利用光栅或棱镜的激发方式在银层表面激发SPPs。我们利用电动力学中四层平板波导模型，研究了表面等离子体沿垂直于金属介质界面方向的传播特性与调控方法，进而解决表面等离子体纵向传播呈指数型衰减的问题，给表面等离子体纵向传播方向的研究应用提供可参考的模型。1.2研究意义根据麦克斯韦电磁学理论，SPPs可以存在于金属的表面并且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。由于表面等离子体波兼具表面电荷与电磁波的特性，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。表面等离子体激元（SPPs）在最近十年间引起了极大的关注，并且由于不受衍射极限限制的能力而被成功应用到纳米级光刻中。这篇文章通过四层平板波导理论和电磁场的基本理论，得到了描述倏逝波纵向耦合共振的解析表达式，计算出了各个波导层内电磁场分量及其系数的关系，为表面等离子体波的纵向耦合效果评价提供了理论基础。并且通过有限元算法的计算仿真，详细地研究影响倏逝波层间纵向耦合的主要因素，探讨了影响表面等离子体波纵向耦合的因素。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。第二章 表面等离子体综述2.1 表面等离子体概念及其研究进展表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)是一种束缚态电磁波，入射光子照射到金属介质分界面时，光子和金属表面自由电子之间的会形成固定频率的表面等离子体共振，进而形成了表面等离子体波，又称作表面等离子体激元（Surface Plasmons Polaritons,SPPs)。（a） 电子与表面电磁波的耦合 （b）垂直界面方向的电场强度分布 图2.1 表面等离子体激元结构及电场分布如图2.1所示，SPs可以存在于金属和介质之间的分界面处，并且可以沿着该分界面进行传播，从而形成表面等离子体波（SPW)。表面等离子体波的磁场矢量垂直于表面等离子体波的传播方向，并且平行于金属和介质的分界面，所以SPs是一种TM波。由图2.1（b）可知表面等离子体波的场矢量的幅值递减幅度相当快，并最终在两层介质中快速趋向于零，SPs在纵向上的传播也因此受到了趋肤深度的限制。为解决这个问题，我们利用光栅或者棱镜来弥补表面等离子体激发条件中两种波矢之间的差值，在第一层银膜表面激发出SPs，然后通过SPs之间的激发来实现纵向的传播。目前，表面等离子体激元方面的应用研究理论已经广泛应用于超透镜成像、近场光和纳米光刻等前沿技术当中，并且克服了传统工艺中的衍射极限限制，充分体现了表面等离子体自身的独特优势和巨大的应用前景。2.2表面等离子体的激发条件和特性 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SPPs不能被直接激发。,其中，和分别为电介质和金属的介电常数。如图2.2所示，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。通过激发的SPs，我们得以进一步研究表面等离子体纵向耦合因素的影响具体情况。 图2.2 表面等离子体激元的色散关系图除了上述的光栅耦合法，棱镜耦合法可以在第一层银膜上激发出表面等离子体激元，另外利用随机粗糙表面和表面缺陷等方法也可以激发表面等离子体激元，进而将之应用于各个前沿科学与技术研究领域。2.2.1光栅耦合法光栅耦合法的示意图如图2.3所示，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。其中光栅的周期是，入射到金属表面电磁波的入射角为，易得电磁波入射到光栅表面后波矢的切向分量（其中是整数），当满足时就能够激发表SPs，原理图如图2.3（b）所示。类似于光栅结构，光滑金属表面的缺陷，针尖以及纳米金属粒子等结构也可以获得大的衍射波波矢，所以在波矢的改变量恰好与电磁波与表面等离子体激元动量差相等时就能够激发SPPs。 （a）示意图 （b)原理图 图2.3 光栅耦合法激发表面等离子体激元2.2.2棱镜耦合法棱镜耦合法主要利用电磁场的边界条件，通过高折射率的透镜来增加入射电磁波的波矢进而弥补入射电磁波和表面等离子体波的动量差。图2.4（a）所示为Kretschmann结构，由于金属层非常薄，通常为纳米级别，所以存在隧道效应，在金属的上方加了一个棱镜，根据电磁场的边界条件，可以使得入射电磁波的水平方向的波矢和SPs的波矢相等，激发出SPs；图2.4（b）为双层Kretschmann结构，其基本的激发原理和图a相同，不同的是在两种介质的界面处均可以激发出SPs；而图c为Otto结构，其采用不接触式进行激发SPs。（a）Kretschmann结构激发 （b）双层Kretschmann结构激发 （c）Otto结构激发 图2.4 棱镜耦合法激发SPs的具体结构图图2.5 棱镜激发SPs的色散关系曲线图此外，利用随机粗糙表面也能够激发SPs，因为随机粗糙表面的散射场包含了大波矢分量，从而能够补偿入射波和表面模式之间任意可能的动量差，但也因为如此，其激发效率比较低。2.3表面等离子体场分布的空间调控 根据前两节的分析可知纵向传播的表面等离子体波是一种倏逝波。当表面电磁波入射到金属和介质的分界面时，可以通过光栅激发或棱镜激发的方式，在其表面形成表面等离子体激元。SPs在沿界面方向可以以正弦波的形式传播，但在垂直于界面方向，由于趋肤深度等的限制，表面等离子体在此方向呈现指数型的衰减。所以为了在纵向可以传播SPs，必须借助一定的结构，使得表面等离子体能够纵向耦合，为表面等离子体的应用提供相应的技术支持。表面等离子体为局域在金属表面的表面波，其在垂直界面方向以倐逝波的形式存在，且表面等离子体波振幅在该方向呈指数型衰减，倐逝波的趋肤深度如图2.6所示。然而，利用金属-介质多层薄膜结构，在一定条件下，可以实现表面等离子体在薄膜间的耦合增强与纵向传输。从而解决表面等离子体波沿纵向的快速损衰减问题，这样不但可以实现表面等离子体波纵向传播的目的，而且还可以在耦合增强的区域获得大幅增强的SPs光场，用于光刻、成像或传感。 早在2000年英国帝国理工大学的Pendry教授提出，利用具有负折射率的金属银薄膜可以获得完美成像。虽然金属薄膜具有负介电常数，但通过金属与电介质表面的SPPs耦合效应便可传播一部分的倏逝波，即所谓的超透镜效应。其基本结构如图2.7所示。 （a）立体结构 （b）剖面结构图2.6 倐逝波的趋肤深度 图2.7 超透镜结构 本文中，我们利用二维的光栅-平板波导结构，利用上述SPs的特点，详细研究了表面等离子体波纵向耦合传播的特性，探寻SPs纵向耦合的强耦合条件。第三章 SPs纵向耦合的理论分析3.1麦克斯韦方程组和边界条件通过第二章的介绍，我们得知表面等离子体波是一种特殊的电磁波。根据电磁学的有关理论可知，在空间内的某一区域电场发生变化时，其周围也会产生相应的磁场，与此同时该磁场也会按一定规律变化，同理变化着的磁场与电场也会产生相应的变化，于是，二者不断地相互转化并且影响，进而形成了电磁波在空间内传播。SPs在多层波导结构中的传播研究，即是研究电磁波通过多层介质波导结构后电磁波的振幅和相位的变化。因为麦克斯韦方程是研究光在通过分层介质中传播的理论方程，所以，处理表面等离子体在多层波导中的传播问题也就是解麦克斯韦方程，麦克斯韦方程组概括了 电磁场内部作用和运动的一般规律，对于各向同性的介质，其微分表达式如下。 (3.1)其中，E为电场强度，H为磁场强度。D为位移电流，B为磁感应强度 。J为自由电流，为自由电荷。在各向同性的均匀介质中，当场强不是很高时，电场和磁场强度相应的本构关系为： （3.2）在导电物质中还有欧姆定律： （3.3）从式（3.4）出发利用积分形式的麦克斯韦方程组可以得到边值关系（3.5）， (3.4)式（3.4）中为通过曲面S的总自由电流，为闭合曲面内的总自由电荷 (3.5)电磁场边界条件（式（3.5）描述了电磁场各个分量在分界面各自分量的关系，在SPs的激发过程以及在平板波导中的传播过程均会利用到此条件，进而为电磁波在界面处传播过程中各物理量的变化提供了数学计算工具。3.2波动方程 在3.1节中，我们介绍了电磁场的基本方程，而在空间中，电磁场是以波动的形式进行传播的，并且满足麦克斯韦方程组。通过一定的数学变化，借助电磁场的基本方程麦克斯韦方程组，我们可以得到形如（3.6）所示的赫姆霍兹方程，波动方程式（3.6）或（3.7）的解也就代表了各种不同形式的电磁波。从麦克斯韦方程组（3.1）出发，对于各向同性的均匀介质，有式（3.2）（3.3）成立，再电磁场的边界条件式（3.5），进行一定的数学计算化简，对于时谐电磁波，我们可以得到形如（3.6）所示的电场的波动方程。 （3.6）遵循类似的步骤，磁场的波动方程如（3.7）所示： （3.7）其中 需要注意的是，当电磁波在介质中传播时，电位移矢量和电场强度的关系以及磁感应强度和磁场强度的关系均与电磁波的频率有关。对于表面等离子激元应用波动方程以及电磁场的边界条件，我们可以解得平板波导内各个电磁分量的关系，并通过磁场强度的大小判断耦合强度，进而具体分析表面等离子体波纵向耦合的影响因素及调控方案。3.3 SPs垂直腔共振耦合的理论分析3.3.1 磁场分布理论推导 图3.1 四层薄膜的波导示意图图3.1为物理模型对应的四层波导结构示意图。SiO2衬底紧贴在Ag涂层的下表面，光刻胶位于微腔当中，将四层波导结构视为沿xy平面无限大的波导结构，其中dCavity表示微腔的厚度，dAg表示Ag涂层的厚度，微腔上方的Ag膜厚度为20nm。SPs是TM波对TM导模和传播常数满足的亥姆赫兹方程 （3.8）上式中： （3.9）其中分别表示二氧化硅基底，光刻胶以及银的介电常数。通过解方程（3.8）和（3.9）得到式（3.10）： (3.10)式中： 3.3.2 系数矩阵关系 在上一节中，我们通过磁场的亥姆赫兹方程以及麦克斯韦方程组解出了各个波导层内磁场强度的大小。下面我们利用电磁场的边界条件，结合3.3.1节中各波导层内的磁场强度表达式，求解出表达式中各个系数之间的关系，从而可以利用某一已知振幅大小，求得其它量的具体数值。由边值条件：得到如下简化的边界条件的：和在分界面处连续。 （3.11）再对方程组（3.10）求导得： （3.12）联立方程组（3.10）（3.12）并且在三个分界面处（）应用边值条件（3.11），我们可以得到方程组（3.10）中各系数的矩阵关系： (3.13）其中，由系数的矩阵关系表达式（3.13）可知，当已知一振幅时，便可通过式（3.13）得出各层波导内的振幅，从而可以计算得到各个波导层内磁场强度。3.3.3 腔内能量分布关系由电磁学的理论可得，在线性均匀介质中电磁波的能量密度为： （3.14）对于平面电磁波，有，所以其能量密度 （3.15）又腔结构是二维模型腔内总能量 （3.16）其中，磁场沿x方向的公式为 （3.17）通过上述分析，我们可以得到各个波导层内的振幅大小，并由此计算出微腔内的总能量，进而为SPs在平板波导间的能量耦合效果的评价提供了计算模型。第四章 SPs纵向耦合调控研究4.1仿真计算模型实验仿真利用基于有限元算法comsol软件中的Radio Frequency模块，借助于RF模块中的电磁波频域分析，我们研究了结构参数对SPs激发与纵向耦合影响。其计算模型的几何结构与材料组成如图4.1所示。 图4.1 仿真几何模型图（4.1）所示物理模型利用金属光栅激发的方式。金属光栅材料为金属铬，厚度为30nm，光栅上层为一层空气，光栅下层为PMMA胶，可有效减小上层银膜对于入射光的反射，以便在银层表面激发表面等离子体，激发的SPs可沿着层间纵向耦合。计算中，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。由于采用棱镜的方式，其激发条件较光栅更为苛刻，需要使入射角满大于激发角以及全反射角才可在上银层表面激发出SPs。所以本文我们主要以光栅激发的物理模型来研究SPs纵向耦合的影响因素。4.2波导层厚度对纵向耦合的影响4.2.1 上银层厚度对耦合影响研究首先，我们研究第一层银膜的厚度对于耦合的影响。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，设置相关材料的折射率等物理常数，并且以上层银膜下表面为参考面，得到图4.2(a)(b)(c)(d)所示的四幅磁场强度分布图。通过参考面的磁场强度大小，我们便可分析出第一层银膜厚度对于SPs纵向耦合的影响，另外，强度分布的均匀性也是一个重要的衡量标准。 图4.2 不同上银层厚度时的磁场强度分布如图4.2所示，由实验仿真结果分析知，当上银层厚度h_Ag0=15nm时（即图4.2（a），其最大磁场强度值约为2.6A/m,相邻最大值差值约为0.3A/m。而由图4.2（b）可知，当h_Ag0=25nm时，最大磁场强度值约为3.2A/m,相邻波峰之间相差约0.1A/m。在图4.2（c）中，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。在h_Ag0=45nm时，最大强度有所下降，约达到2.8A/m,而相邻的强度峰值差距约为0。综合上述分析，在532nm光的垂直照射下，从磁场输出的最大值和均匀性的角度出发，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，即此时输出SPs波的空间频率较单一。归一化磁场的空间分布如图4.3所示，第二层银膜下方的磁场输出也具有磁场分布较均匀且峰值较高的，这说明入射场的能量有效地耦合到了结构底部，可方便地在该区域实现局域增强电磁场的应用。图 4.3 h_Ag0=35nm时的磁场分布4.2.2 光刻胶厚度对耦合影响研究由4.2.1节的分析，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。我们研究不同的光刻胶厚度即腔内的厚度对于SPs纵向耦合的影响。同样在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，计算得到了光刻胶的厚度分别取30nm、40nm、50nm和60nm各参考面上磁场强度分布，如图4.4所示。 (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(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(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(d)h_ph=60nm时下层银膜上表面（右）和下表面（左）磁场强度分布图图4.4 不同光刻胶厚度下腔内外磁场强度分布如图4.4所示的磁场强度分布图，下层银膜上表面的磁场强度分布即代表腔内的磁场强度分布，其下表面即代表腔外强度分布。下面我们分别从腔内外磁场强度的角度分析耦合效果的影响因素。对于腔外的磁场强度分布，在图（a）所示结果中，当光刻胶厚度h_ph=30nm时，其腔内最大强度输出约为3.8A/m，但相邻峰值相差约0.1A/m,磁场强度输出并不近似均匀。当h_ph=40nm时，峰值能量约为4.0A/m，相邻峰值也近似相等，与第一种情况对比，二者磁场输出的均匀性相当，均达到了准单一频率光输出的目的，且此种情况的最大强度值较高，故光刻胶厚度为40nm时SPs纵向耦合最强。当继续增大光刻胶厚度至50nm时，由仿真结果图（c）可知，此时的最大强度输出依然可达到4.0A/m,但相邻峰值之差也随之增大，约为0.3A/m。在h_pr=60nm时，仿真结果如图（d）所示，峰值强度输出降低至3.7A/m,且相邻的峰值相差约0.5A/m。通过上述的仿真结果分析，在532nm入射光的垂直照射下，当上银层厚度为35nm时，光刻胶层的最佳厚度为40nm。此时，腔外的磁场强度可以实现准单一的空间频率输出，且输出的磁场强度较高，对应强耦合。而对于腔内的磁场强度分布，当光刻胶厚度即腔的厚度从30nm逐渐增加到60nm时，其最大强度值先增加后减少，从1.6A/m增加到1.8A/m,最后又下降到约1.6A/m,变化趋势和腔外的磁场强度相同。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，其具体的磁场分布情况如图4.5所示（图中光刻胶的厚度分别为40nm和50nm）。(a)h_ph=40nm (b)h_ph=50nm图4.5 不同光刻胶厚度下磁场分布综合腔内和腔外的磁场强度输出特性，当光刻胶的厚度取40nm时，耦合效果最佳，腔内、外的电磁场强度均匀输出并达到了最大值。此时，腔外输出电磁波的可达到准单一的横向空间频率，而腔内电磁波则含有较多的空间频率成份。4.2.3 下层银膜厚度对耦合效果的影响研究与上述实验仿真类似，同样利用光栅激发的方式，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，我们进一步研究了下银层厚度分别取5nm、10nm、15nm和20nm。具体计算过程中，结构上下表面为散射边界条件和横向为周期性边界条件，银层厚度分别取5nm、10nm、15nm和20nm时得的空间磁场分布如图4.5所示。 (a)h_Ag=5nm (b) h_Ag=10nm(c)h_Ag=15nm (d)h_Ag=20nm图4.6 不同下层银膜厚度下磁场强度分布从图4.6中我们可以直观的看出磁场的分布情况，在下银层厚度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；在下银层厚度继续增加到15nm时，腔内的磁场逐渐减弱，腔外的磁场强度仍然增加；当银层厚度增大至20nm时，其磁场强度如图（d）所示，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。通过上述分析可见，下层银膜厚度取10nm时，腔内、外磁场强度均可取得较高能量值，且分布均匀，在光刻、成像、传感及非线性光学等领域均具有较大的应用潜力。若主要应用腔外电磁场时，可取下层银膜厚度大于10nm，此时电磁场主要集中在腔外，此时腔内的场强十分微弱。 (a)h_Ag=5nm (b) h_Ag=10nm(c)h_Ag=15nm (d)h_Ag=20nm图4.7 不同下层银膜厚度下的磁场强度分布由于在光刻技术等实际应用中，要求获得具有较高对比度、陡直度及空间频率单一的光刻条纹。如图4.6所示，可得下层银膜的上表面处腔内的磁场分布图。当下层银膜厚度h_Ag=5nm时，腔内最大磁场强度可达2.4A/m,相邻磁场强度最大值差值约为0.15A/m。在下层银膜厚度h_Ag=10nm时，结合图4.6和图4.7，此时腔内的磁场最大强度值为2.2A/m,腔外的磁场强度也明显增大，且腔内场分布呈梯形分布，这更有利于增大光场与物质的作用区域获得陡直度更佳的光刻图案。但，当继续增加厚度时，腔内的磁场强度急剧下降，其相邻峰值差也达到了0.5A/m，当下层银膜厚度增大至20nm时，腔内磁场强度变得极不均匀，且磁场的最大能量也仅有1.4A/m。综合图4.6和图4.7的结果分析，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。4.3 有无下银层对耦合效果的影响通过上述两节的分析，我们得到了在532nm光照射下，各波导层的最佳耦合厚度。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，如图4.8所示。（a）有厚度为10nm的银层 （b）无下层银膜图4.8 有无下层银层的磁场强度分布对比与有下银层的结构对比，无银层结构时最大输出的磁场强度约为2.2A/m，相邻磁场强度最大值的差值约为0.3A/m,磁场强度的输出波动较大。增加银膜耦合层后，最大磁场强度输出值增加到3.8A/m,与此同时磁场强度的输出也变得更加均匀，磁场峰值之间的差值也相应降到0.1A/m。如图4.9所示两种条件下空间磁场分布可见，上、下层银膜与光刻胶层构成的共振腔可以有效调控输出电磁场强度和空间分布，有效增强SPs电磁场的强度与空间均一性。（a）有厚度为10nm的银层 （b）无下层银膜图4.9 有无下层银层的磁场强度分布对比从上图4.9可以看出，二者的区别非常明显。当腔的下层有银膜时，腔内的磁场分布明显增强，而且腔外的磁场强度也得到了相应的增强，这就给在两处表面等离子体激元的应用创造了很好的条件。物理机理上，我们可以把上、下层银膜与光刻胶层构成的共振腔视为一个空间滤波器，通过结构参数的优化，可以有效调节腔内、外的场的空间分布与强度，进而为调控等离子体激元的纵向耦、传输提供了新的维度与方法。第五章 论文总结 本文介绍了表面等离子体的基本概念，基本特性以及其激发方式和条件，综述了表面等离子体研究的发展历史和目前的研究进展。其次，利用电动力学中四层平板波导理论和电磁场的边值关系，推导给出了各个波导层内电磁场分量及其系数的解析表达式，为表面等离子体波的纵向耦合分析提供了理论模型。最后通过有限元算法的计算仿真，探讨了表面等离子体波纵向耦合的影响因素及在光栅耦合条件下对结构参数的依赖关系。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，通过调节结构参数，可以有效调控腔内、外的场的空间分布与强度，进而为调控等离子体激元的纵向耦合传输提供了新的方法。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。致 谢 首先，感谢我的论文指导老师胡继刚老师的耐心指导。在论文的选题、设计思路、理论推导到计算仿真的过程中，均得到了胡老师认真而又具有启发性的指导。并且在整个论文的完成过程中，体会到了扎实的理论基础，严谨的治学态度和敏锐的科研思维对于科学研究过程的重要性。另外，感谢胡老师在我面对生活中的疑惑时给予的建议和帮助。谨在此向胡老师表示诚挚的谢意。其次，感谢王冠君师兄以及应用物理学专业的同学在理论的推导和实验的仿真过程中提供的帮助和宝贵的修改意见。感谢电子科学与应用物理学院老师的教诲，感谢母校四年来给予我的收获。最后，感谢我的家人，漫漫人生路，感谢家人对我一如既往的支持和养育之恩，感恩父母在我成长过程中默默的付出，你们是我不断前行的不竭动力。谢谢！参考文献1Ajith, R.; Mathew, Vincent: A self-consistent simulation of nonlinear surface plasmon polaritons in a linear-metal/nonlinear slab waveguideJ, Optics Comunication Vol346:183-187 JUL 1 20152 Naylor, Wade: Vacuum-excited surface plasmon polaritonsJ, PHYSICAL REVIEW A Vol: 91-5: 053804,MAY 6 20153Zhang Yong-Yuan; Luo Li-Na; Zhang Zhong-Yue: Surface plasmon polaritons splitting properties of silver cross nanowiresJ,ACTA PHYSICA SINICA Vol:64-9: 097303,MAY 5 20154 Man, Zhongsheng; Shi, Wei; Zhang, Yuquan: Properties of surface plasmon polaritons excited by generalized cylindrical vector beamsJ, APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS,Vol 119-2: 305-311: MAY 20155 Kwon Min-Suk. Metal-insulator-silicon-insulator-metal waveguides compatible with standard CMOS technologyJ. Optics Express . 20116.Zhihua Xie &Weixing Yu & Taisheng.Nanolithography: A ReviewJ.Springer Science+Business Media.2011. Plasmonics (2011) 6:565580 DOI10.1007/s11468-011-9237-07.Jigang H
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号