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银膜纳米缝簇倏逝波与表面等离子体激元辐射的研究

作　者: 何乃霞
导　师: 程传福
学　校: 山东师范大学
专　业: 光学
关键词: 时域有限差分法纳米金属结构倏逝波表面等离子体激元
分类号: O482.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

表面等离子体激元是金属纳米结构非常独特的光学特性,它的传播局域在近场范围内,并且光强较光波有很大的增强,这一特性将是光子器件向纳米尺度发展的突破点。表面等离子体激元是近场的一种倏逝波,因此携带了纳米尺度金属的精细结构信息,这不仅有利于我们通过改变金属结构来控制表面等离子体激元,同样也可以作为近场显微加以应用。基于表面等离子体激元的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一,并形成了一门新兴科学即表面等离子体光子学。随着纳米科学的发展,这一学科包含了更为广泛的研究内容,如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等。表面等离子体激元是在光子学、光电子学、微纳光子学、生物医学、信息等领域同样有着广阔的应用前景。而与表面等离子体激元相关的器件都是利用表面等离子体激元在金属表面的传播行为和光场分布特性制成的,因此更详细地了解表面等离子体激元经纳米结构的光场分布和传播行为是非常有必要的。本论文主要采用适用于金属的二维色散时域有限差分法(2D-Dispersive FDTD Method),并引入了Drude模型编制了程序包,数值计算了金属银纳米狭缝随缝间距和银膜的厚度等参数不同时,透过光场分布的不同以及透过率的变化,给出了不同条件下的衍射光场灰度图和透过率曲线。本文对金属银中逝波与表面等离子体激元在纳米双缝透射中的作用进行了讨论,详细分析了纳米双缝结构参数对纳米双缝透射光场的影响。由于表面等离子体激元效应是一个刚刚兴起的研究领域,本论文的目的在于了解和揭示纳米结构近场的表面等离子体激元效应的现象,为下一步更加深入和系统的工作打下坚实的基础。全文内容共分五章,内容如下:第一章简单介绍了表面等离子体激元的研究背景及其基本电磁理论,并对本论文的主要工作和内容安排进行了简要介绍。第二章介绍了数值计算方法FDTD,着重讨论了时域有限差分法在纳米结构研究工作的应用。结合Ag的色散模型,自主实现了色散介质的时域有限差分法仿真程序。并针对缝结构色散模型的处理,提出了一种散射体进入吸收边界情形的计算方法。简要介绍了适用于光栅结构的周期边界时域有限差分法。第三章运用二维色散FDTD方法对一维非周期性纳米结构的透过光场进行了模拟计算,给出了狭缝宽度、缝间距等参数变化时衍射光场的灰度图,试图研究纳米结构表面等离子体激元等因素导致透过增强效应的物理本质,考察了SPPs对该结构近场光学特性和能量传输的影响。第四章对一维非周期性、周期性纳米结构的透过率进行了模拟计算,分析了介质厚度、狭缝宽度、缝间距等参数对光学衍射特性的影响,分析了表面等离子体激元等因素对近场光学特性和能量传输的影响。第五章总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-17
  1.1 表面等离子体激元的研究背景  11-12
  1.2 表面等离子体激元的基本电磁理论  12-15
  1.3 本论文的主要工作及内容安排  15-17
第二章纳米金属结构中FDTD 方程的编制及设计  17-28
  2.1 二维时域有限差分方法的基本原理  17-18
  2.2 适用于金属Ag 的色散时域有限差分法  18-21
  2.3 Drude 模型下 PML 吸收边界的处理  21-26
  2.4 适用于光栅的周期边界时域有限差分法  26-28
第三章纳米尺度下狭缝的近场传输特性研究  28-34
  3.1 引言  28-29
  3.2 纳米单缝的近场传输特性  29-30
  3.3 纳米多缝的近场传输特性随缝宽的变化  30-32
  3.4 纳米多缝的近场传输特性随缝间距的变化  32-33
  3.5 结论  33-34
第四章纳米结构狭缝的透射特性  34-44
  4.1 纳米结构单缝的透射光场  34-37
  4.2 纳米结构双缝的透射光场  37-40
  4.3 纳米结构三缝的透射光场  40-41
  4.4 纳米结构光栅的透射光场  41-43
  4.5 结论  43-44
第五章结论与展望  44-45
参考文献  45-49
攻读硕士学位期间发表的文章  49-51
致谢  51

银膜纳米缝簇倏逝波与表面等离子体激元辐射的研究

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