微纳结构光子学器件设计及理论的分析

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1、中国科学技术大学博士学位论文中文摘要摘要本论文的研究工作是在国家自然科学基金项目No．10474093，No．90206002和国家重点基础研究发展规划项目No．2006CB302905的资助下完成的。主要运用严格的祸合波分析法(RCwA)和二维时域有限差分法(FDTD)两种数值模拟方法，研究了亚波长金属结构中表面等离子体(SurfacePlasmons，SPs)在光刻和偏振器件方面的物理问题和技术应用；运用量子理论分析了NSOM探针近场激发下量子点间的共振能量转移情况．本论文主要的研究工作和成果如下：1．结合二维时域有限差分法数值模拟软件，提出和设计了一种基于原子力显微镜辅助表面等离子体泄

2、漏模式光刻的方案，对SPs不同的激发方式、局域场增强机理、光刻条纹的对比度和空间分辨率对系统结构参数的容忍度等方面进行了深入系统的分析．该方案可实现大面积、高空间分辨率(一15rim)和高对比度(>75％)的纳米量级任意形状条纹的制备，在超高密度光存储和纳米模板光刻等方面具有良好的应用前景。2．运用严格的耦合波分析法深入研究了介质膜包覆的亚波长金属光栅在TE偏振光入射下的透过行为和透过机理。通过分析介质膜和金属光栅结构参数对远场透过谱的影响和近场电场分布，直观确认了介质膜支持的特征波导电磁模式的存在，并在能量耦合传输过程中起主要作用；基于这种结构对TE和TM偏振光透过谱的不同响应，分析了应用

3、于红外波段尤其是通信波长1550rim的起偏器(偏振度大于O．96)和偏振无关器件的可行性．3．运用量子力学中的密度矩阵和场极化率张量相结合的方法，理论分析了NSOM近场激发下量子点之间的共振能量转移情况，得到了两个量子点相互作用的密度矩阵元以及各自的发光强度的数学表达式；以NSOM探针体为例，分析了周围介电环境、近场探针和量子点之间相对位置以及光源偏振态对共振能量转移效率的影响，提供了一种在微纳尺度范围内研究量子点之间能量耦合和转移的理论分析方法。中文摘要中国科学技术大学博士学位论文本论文的创新点主要包括：1．创新性地提出了一种利用原子力显微镜辅助表面等离子体泄漏模式光刻的方案(便于集成的

4、金属光栅侧端激发SPs结构和可大面积均匀光写的移离衰减全内反射激发SPs结构)，能实现大面积、约15rim高空间分辨率和高对比度的任意形状条纹制备，并且对结构参数有很好的容忍度，具有很高的实用价值．2．首次运用波导电磁模式匹配合理解释了TE偏振光入射时介质膜包覆的亚波长金属光栅的透过增强现象，全面描述了结构参数对其光学透过性质和能量耦合传输过程的影响。分析了该结构在通信波长：1550nm作为高偏振度起偏器和偏振无关器件方面的可行性。3．首次在二能级模型的基础上。运用量子力学中的密度矩阵和场极化率张量相结合的方法，理论分析了NSOM近场激发下量子点之间的共振能量转移。关键词：表面等离子体；光刻

5、；增强光学透过现象；量子点；共振能量转移AbstractTheresearchworkwithinthisdissertationissupportedbygrantsfromtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．10474093，90206002)andbyagrantfromtheMajorStateBasicResearchDevelopmentProgramofChina(No．2006CB302905)．Byusingrigorouscoupledwaveanalysis(RCWA)andthetwodimensionalfin

6、itediffer-encetimedomainmethod(FDTD)simulationsoftware，thephysicalmechanismsandtechnologicalapplicationsofthesurfaceplasmous(SPs)inthesubwavelengthmetallicstructuresarenumericallyanalyzed，theresonantensrgytransferprocessundernesA'-缸ldopticalexcitationistheoreticallydemomtrated．Themainresearchworksa

7、ndconclusionsare∞following：1．Basedontwo-dimensionalFDTDmethod．anAFM—assistedSPsleakagemodephotolithogFapl玎techniqueisproposedanddemonstrated，twodifferentexcitationmethocb，themechanismoflocalfieldenhancement