太赫兹波段微孔阵列透射现象理论及时域光谱分析

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1、摘要摘要亚波长透射现象由于突破了经典孔孔理论的限制，在光场局域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力，因此该领域近年来备受关注。本文主要围绕太赫兹波段微孔阵列结构透射现象从理论推导、计算机模拟和实验研究三方面对该现象进行了研究。主要开展的工作如下：1．首先分析单个同轴、矩形微孔中考虑金属中表面等离子体波存在情况下各模式对应的色散关系，通过该分析找出表面等离子体波存在的条件及其随结构尺寸变化的规律。2．研究二维微孔阵列中表面波的色散关系，讨论二维情况下表面波截止频率随单元结构

2、尺寸、周期尺寸及厚度变化规律。3．理论分析平面波入射情况下透射现象，同时考虑S极化和P极化两种极化方式入射情况。主要采用本征函数展开的方法首先对平面波进行展开，采用边界匹配的方法，考虑孔与孔之间的耦合，这样推导出一组耦合方程，通过该方程可以计算出透射率大小、透射峰等参数。4．采用三维计算机模拟对平面波入射情况下(包括斜入射、垂直入射)整个透射过程进行仿真，观察透射场、反射场变化规律，并结合理论工作分析透射峰值与孔阵列尺寸间的关系，以及孔中的模式等物理问题。5．设计相应的实验方案，采用太赫兹时域光谱分析系

3、统对所加工的孔阵列进行实验研究。实验工作分为两个部分：一、研究不同周期长度的孔阵列透射情况。二、研究不同入射极化角度时透射情况。通过上述研究工作我们得出由于入射波在表面激励起了表面波并同时在孔中也激励起了多个模式，这些模式与表面波、入射波在边界处相互耦合使得入射波能有效的透过小孔阵列，出现超强透射现象。关键词：微孔阵列，太赫兹时域光谱，超强透射ABSTRACT耽eextraordinarytransmissioninthesub-wavelengthholesarrayhasbeenattracteda

4、lotofattentioninrecentyears．Inthisthesis，theextraordinarytransmissioncharacteristicsofmetallicperiodicholesarrayareinvestigatedinterahertzregime。砀emainworkofthisthesisisfocusedontheoreticalstudy,3一Dcomputersimulationandexperimentalstudywithterahertztime-

5、domainspectroscopysystem(THz-TDS)．Inordertounderstandthephysicalmechanismoftheterahertzextraordinarytransmissionproperties，therelationshipbetweentheTHztransmissionpropertiesandtheholeshape,thesurfaceplasmons，thesurfacewaveandthepolarizationofincidentwace

6、hasbeenstudied．Themainworkinthisthesisincludeasfollows：1．Thedispersionrelationsofsurfaceplasmonmodeinsinglecoaxialandrectangularmetallicmicroholehavebeenstudied．neanalysisofthesurfaceplasmonwaveconditionsandtherelationbetweensurfaceplasmonandthesizeofthe

7、holeareinvestigated．2．Detailedtheoreticalinvestigationandcomputercalculationsonthesurfacewaveinthe2-Dholesarrayarecarriedout，anditcanbefoundthattheshapesofholesstronglyaffectthecutofffrequencyofthesurfacewave．3．Detailedtheoreticalinvestigationontheextrao

8、rdinarytransmissioninthesub·wavelengthholesarrayispresented．TheEigenfunctionexpansionisappliedtoananlyzethephysicalmechanism．AndthecoupledequationswhichgovernextraordinarytransmissionCanbeobtained．4．3一Dcomputersimulationof