基于矩形谐振腔波导结构表面等离子体滤波器的研究

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1、湖南大学硕士学位论文基于矩形谐振腔波导结构表面等离子体滤波器的研究姓名：张振申请学位级别：硕士专业：物理学指导教师：王玲玲20120529基于矩形谐振腔波导结构表面等离子体滤波器的研究摘要对光与物质相互作用的理解和如何主动地去控制光的传播，一直以来都是研究者梦想解开的目标，也是科技领域中至关重要的课题之一。表面等离子体(SurfacePlasmonPolaritions，SPPs)是金属表面自由电子和光子相互耦合而形成的一种沿介质．金属表面传播的倏逝波，其电磁场在垂直于金属表面的两个方向都以指数的形式衰减

2、。当改变金属表面的结构时，表面等离子体的激发方式、耦合效应、色散关系、传播方式和其性质都将发生重大的变化。SPPs这一特殊的性质，使其在光与亚波长金属结构相互作用而引起的许多独特的物理现象中起到了至关重要的作用，它的这些新颖效应，原理以及机制等都是当前凝聚态物理和近场光学研究的热点。对这些现象的研究，使人们能够利用金属等导体材料来控制光的传播，这将促进光存储技术、光学设备、生物光子学、SPPs元器件和回路、表面等离子体光子芯片、新型光源、调制解调器和开关、突破衍射极限的超分辨成像、耦合器、纳米波导以及纳米

3、光电子器件等的研究进展。本论文采用二维时域有限差分方法(FDTD)，针对亚波长金属结构中表面等离子体的光学特性、色散关系、传播规律以及对金属结构的人工调控，进行了比较系统的研究。主要工作内容以及结果如下：通过在单狭缝金属银的出口端表面两侧设置不同的槽型结构，在理论上研究了亚波长表面等离子体方向性激发器。研究结果表明，当改变槽型结构的宽度、高度或者周期，使设置的槽型结构对电磁波满足相位相干相长和相干相消的条件时，可使不同波长的金属表面电磁波在单缝出口处朝不同的方向偏转。具体说来，当入射光波的波长为516．9

4、6纳米时，在出口处激发的表面等离子体向右偏转；当入射光波的波长为827纳米，在出口处激发的表面等离子体向左偏转。这种方法为相关纳米光电子器件的设计，如传感器、光学集成电路等提供了理论依据，而且已经应用到相关的光通信，等离子体光源、光电印刷技术等领域。提出了一种新型的基于金属一介质一金属(metal．insulator．metal，MIM)的多矩形谐振腔结构的表面等离子体带阻滤波器。该结构由一波导通道和一列平行排列于波导上方的矩形谐振腔组成。当矩形腔的长度对某一波长满足法布里一珀罗(F．P)谐振条件时，该波

5、长的表面等离子体(SurfacePlasmonPolaritons，SPPs)将进入腔内并发生耦合共振被限制在其内而不再向外传播，而其它波长的光波仍然会透过波导通道，因而该结构会起到滤波的效果。通过调整谐振腔的长度和数量，可以方便的滤掉一个或多个不同波长的光波。与其它结构SPPs滤波器相比，此结构更具有简洁、滤过的波长更窄、更小的能量损耗。关键词：表面等离子体；亚波长；光栅；相位共振；谐振腔AbstractUnderstandandhowtocontroltheinteractionbetweenligh

6、tandthematters．haSalwaysbeenthetargetwhichresearchersdreamingtoresolve，anditisalsooneofthecrucialissuesinthefieldofscienceandtechnology．SurfacePlasmonPolaritions(SPPs)，whicharewavespropagatingalongametal．dielectricinterfacewithanexponentiallydecayingfield

7、inbothsides，arecausedbythecouplingoffreeelectronandphotononthemetalsurface．Byalteringthestructureofametal’ssurface．themodes，couplingeffect，dispersionrelation，propagationwayandotherpropertiesofSPPscanbesignificantlychanged．TheuniquenatureofSPPsmakesitplaya

8、vitalroleinmanyphenomenaoftheinteractionbetweenlightandmetalstructureofsubwavelength，anditisbecomethecurrenthotspotsofnear。fieldopticsandcondensedmatterphysics．Bystudyingthesephenomena，peoplecancontr01thePoopagation