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金属正弦光栅上表面等离子体波激发的理论研究

作　者: 张玉军
导　师: 刘树田；赵海发
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 表面等离子体波金属正弦光栅光学能量禁带禁带宽度禁带中心位置
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

表面等离子体波是沿着金属表面传播的一种电磁波。通过表面等离子体波与光场之间的相互作用,能够实现对光的主动控制,当改变金属表面结构时,表面等离子体波的性质、色散关系,激发模式和耦合效应都会发生重大的变化。尤其当表面是具有一定的周期结构时,当表面等离子体波与光栅周期满足布拉格条件时,将会出现光学能量禁带。表面等离子体激元(Plasmonics)已经成为一门新兴的科学,对它的激发原理,新颖效应以及机制的探究,极大的吸引了研究者的兴趣。表面等离子体波具有广阔的应用前景,例如各种表面等离子体元件,纳米波导,等离子体光子芯片,耦合器,调制器和开关元件,纳米光刻技术和滤波器等等。本文首先介绍了表面等离子体波的概念和存在条件,以及表面等离子体波的相应特性。并且研究了利用横磁(TM)偏振光和横电(TE)偏振光在金属正弦光栅上激发表面等离子体波的全新模式。其次,从金属光栅局域表面法向方向上电场的分量出发,进一步分析表面等离子体波的激发条件,然后在理论上推导出利用横磁(TM)偏振光和横电(TE)偏振光在金属正弦光栅上激发表面等离子体波的可能性,同时利用Matlab对其进行数值模拟,并将横磁(TM)偏振光和横电(TE)偏振光的激发模式进行了简单的比较分析。最后,利用坐标变换,在理论上推导出了利用横磁(TM)偏振光和横电(TE)偏振光在金属正弦光栅上激发表面等离子体波的禁带宽度和中心位置的数学解析表达式,从而找出禁带宽度和中心位置与光栅形状的关系,即和光栅的振幅和栅距的关系,以及金属的介电常数对禁带宽度和中心位置的影响。并得出禁带边缘的上频和下频处的表面法向电场和表面电荷的分布情况,从而解释了禁带的物理本质。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-12
  1.1 引言  8
  1.2 课题研究背景  8-9
  1.3 表面等离子体波的研究热点和国内外现状  9-10
  1.4 瞻望前景和面临的挑战  10-11
  1.5 本论文主要研究内容介绍  11-12
第2章表面等离子体波中的基本概念和存在条件  12-20
  2.1 引言  12
  2.2 光波在导体中的传播  12-14
  2.3 金属介电常数的初等电子理论  14
  2.4 金属和介质界面上的表面等离子体波(SPW）  14-19
    2.4.1 表面等离子体波的存在条件  14-17
    2.4.2 表面等离子体波的特性  17
    2.4.3 表面等离子体波的波长  17-18
    2.4.4 表面等离子体波的传播距离  18
    2.4.5 表面等离子体波的穿透深度  18-19
  2.5 本章小结  19-20
第3章表面等离子体波的TM波和TE波激发  20-36
  3.1 引言  20
  3.2 表面等离子体波的光激发  20-23
    3.2.1 表面等离子体波的光激发原理  20
    3.2.2 表面等离子体波的平面激发模式  20-22
    3.2.3 表面等离子体波的周期表面结构激发模式  22-23
  3.3 金属正弦光栅的制作  23-24
  3.4 金属正弦光栅的横磁(TM)和横电(TE)偏振光激发SPW  24-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章正弦光栅上表面等离子体波禁带关系的研究  36-50
  4.1 引言  36
  4.2 四分之一电介质堆禁带原理  36-37
  4.3 金属正弦光栅上表面等离子体波的禁带  37-38
  4.4 金属正弦光栅上表面等离子体波禁带的计算  38-49
    4.4.1 坐标变换  39-41
    4.4.2 通过布拉格散射方式耦合的解  41-43
    4.4.3 边界条件  43-44
    4.4.4 禁带的禁带宽度和中心位置的解析表达式  44-49
  4.5 本章结论  49-50
结论  50-51
参考文献  51-56
致谢  56

金属正弦光栅上表面等离子体波激发的理论研究

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