金属型和介质型人工表面等离激元的理论与应用研究

《金属型和介质型人工表面等离激元的理论与应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中图分类号：O.441.4论文编号：102870416-B016学科分类号：081001博士学位论文金属型和介质型人工表面等离激元的理论与应用研究研究生姓名刘亮亮学科、专业通信与信息系统研究方向新型人工电磁材料指导教师顾长青教授南京航空航天大学研究生院电子信息工程学院二О一七年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofElectronicandInformationEngineeringResearchontheTheoryandAppli

2、cationofMetal-andDielectric-typeSpoofSurfacePlasmonPolaritonsAThesisinCommunicationandInformationSystembyLiuLiangliangAdvisedbyProf.GuChangqingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2017由扫描全能王扫描创建南京航空航天大学博士学位论文摘要表面等离激元（SurfacePla

3、smonPolaritons，SPPs）是金属纳米结构中自由电子的共谐振荡形成的一种表面束缚电磁模态，可应用于光波段超灵敏度超分辨率传感、成像等领域。但是，固有的物理局限使得SPPs不具有低频拓展性，而且金属在等离子体频率附近的强损耗使其存在诸多的运用瓶颈。为了解决这些难题，科学家们提出并发展了人工表面等离激元（SpoofSPPs）的概念。通过人工构建亚波长周期结构，可在远离金属等离子体频率的波段（微波和太赫兹波段）实现类似SPPs的电磁性质。SpoofSPPs不仅可以弥补SPPs在光频段损耗大的局限，而且可被用来实现其他频段的超灵敏度超分辨

4、传感、成像，在高速、并行传输和高密度电路中具有重要的应用前景，对基于SPPs的功能器件和系统真正实用化具有重要意义。论文针对SpoofSPPs的理论及其应用开展了一系列创新性研究，主要研究内容和创新点包括以下几个方面：1、提出了多种三维金属型SpoofSPPs的高效激发与宽带传输结构，包括：（1）采用渐变高度的多米诺形周期金属块阵列实现了TE10波（矩形波导）和多米诺型SpoofSPPs之间的高效与宽频带模式转化；（2）采用渐变深度的同轴圆柱形周期凹槽阵列实现了TEM波（同轴波导）和同轴型SpoofSPPs之间的高效与宽频带模式转化，并在此基

5、础上设计了两款基于螺旋型SpoofSPPs的场增强器结构，利用螺旋形凹槽深度和半径的渐变来实现了SpoofSPPs的超强聚焦效应，进而获得了螺旋凹槽波导表面场的超强聚焦性能。2、提出了多种平面金属型SpoofSPPs的高效激发与宽带传输结构，包括采用渐变长度的超薄周期金属方孔与光栅阵列分别实现了准-TEM波（微带线）和方孔型与双层鱼骨型SpoofSPPs之间的高效与宽频带模式转化，并在此基础上设计了一种支持方孔型SpoofSPPs双频带高效传输的波导结构，在基模频段实现SpoofSPPs的高效与宽带传输的同时在高次模频段实现了SpoofSPP

6、s的负群速效应。3、提出了一种多通道复合SpoofSPPs的宽带平面波导传输结构，采用超薄周期矩形方孔和对称凹槽阵列实现了方孔型与凹槽型SpoofSPPs复合信号在同一个波导中的多通道、无干扰、独立高效的传输功能。4、提出了一种基于亚波长介质周期结构的新型SpoofSPPs概念，分别采用模式匹配与多模网络结合方法以及等效媒质理论推导了新型SpoofSPPs的解析色散方程，并构建了基于新型SpoofSPPs的高效与宽频带波导传输模型，从实验的角度证实了理论的正确性。与传统金属型SpoofSPPs相比，介质型SpoofSPPs具有超低的传输损耗特

7、性，克服了金属型SpoofSPPs的固有欧姆损耗带来的一系列器件性能降低的关键问题，符合电磁超材料无金属化的发展趋势，开I金属型和介质型人工表面等离激元的理论与应用研究辟了一个崭新的研究领域。关键词：人工表面等离激元，亚波长周期结构，高效与宽频带，模式转化，超强聚焦，多模网络理论，等效媒质理论。II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTSurfaceplasmonpolaritons(SPPs)aresurfaceelectromagnetic(EM)wavesthatpropagatealongtheinterfacebetweent

8、womaterialswithoppositepermittivity(i.e.,metal-dielectricinopticalfrequencies),who