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基于FDTD的亚波长孔阵列金属薄膜光透射率研究

作 者: 文明
导 师: 王新林
学 校: 南华大学
专 业: 物理电子学
关键词: 亚波长孔阵列 超强透射效应 表面等离子体激元 时域有限差分方法 偏振方向
分类号: O53
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


Ebbesen等人在1998年首次在实验中观察到亚波长圆孔正方阵列金属薄膜的光超强透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象,并分析孔径、孔周期、薄膜厚度、金属类型和孔点阵类型等因素对孔阵列金属薄膜的透过率的影响。为了理解光超强透射现象的物理本质,人们对其进行了大量的实验和理论研究。普遍认为,孔阵列金属薄膜的EOT现象与表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)效应紧密相关。本论文进一步探索亚波长孔阵列金属薄膜的EOT现象的物理机制,理解SPPs效应与光超强透射效应之间的联系,采用时域有效差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)方法模拟超快激光脉冲垂直照射亚波长圆孔阵列金属薄膜的物理过程的电磁场分布。本文的主要包括以下内容:(1)表面等离子体激元是沿着金属表面传播的表面波,垂直于表面的电磁场分量按离表面的距离指数衰减。SPPs具有光场局域化和局域场增强等独特性能,在很多领域有其广泛的应用。并详细介绍电磁场的时域有限差分数值方法及吸收边界条件和周期性边界条件。(2)总结了描述色散金属的介电系数的Drude模型、Lorentz模型和Drude-Lorentzs模型三种模型,并介绍采用增加辅助变量及相应的辅助差分方程(additional (auxiliary) differential equation, ADE)的方法,把金属的色散特性引入到时域有限差分迭代方程中,得到不同的模型相应的FDTD离散迭代求解方法。(3)采用Drude模型描述金属银的介电系数,通过时域有限差分数值方法模拟飞秒激光脉冲通过孔阵列银薄膜相互作用后产生的电磁场分布,然后通过傅里叶变换求其透过率谱。主要计算了正方和正六角孔阵列的不同结构参数(孔径、孔周期、薄膜厚度)和入射光不同偏振方向对垂直入射到亚波长圆孔阵列银薄膜的透过率的影响,分析和讨论其物理过程,得到主要结论:1)孔周期决定透过率峰值位置,在孔径与孔周期之比为2/3附近时,其归一化透过率峰值表现为最大;2)孔阵列的透过率一般随着银薄膜厚度增大而逐渐减小;透过峰的宽度随柱状孔的纵横比(薄膜厚度与孔径之比(T/D))值变小而变宽;3)在正方阵列中,波长为孔周期处,孔阵列的透过率一般为极小值;4)亚波长圆孔正方阵列银薄膜的透过率不随着入射光偏振方向变化而变化,而亚波长圆孔正六角阵列银薄膜的透过率随着入射光偏振方向变化而变化,特别是在波长为孔周期处变化较大。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 简介表面等离子体及其应用  9-12
  1.2 超强透射现象及物理机制  12-15
  1.3 本论文的主要内容  15-17
第二章 表面等离子体激元的基本性质和研究方法  17-34
  2.1 表面等离子体的基本性质  17-22
  2.2 表面等离子体激元的数值研究方法  22-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章 色散金属的时域有限差分方法  34-41
  3.1 金属介质的色散性质及模型  34-37
  3.2 基于不同模型的时域有限差分求解方法  37-40
  3.3 本章小论  40-41
第四章 亚波长圆孔正方阵列银薄膜的光超强透射效应研究  41-55
  4.1 孔正方阵列的透过率随着孔直径变化的研究  44-46
  4.2 孔正方阵列的透过率随着薄膜厚度变化的研究  46-48
  4.3 孔正方阵列的透过率随着入射光的偏振方向变化的研究  48-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章 亚波长圆孔正六角阵列银薄膜的光超强透射效应研究  55-74
  5.1 孔正六角阵列的透过率随着孔直径变化的研究  57-59
  5.2 孔正六角阵列的透过率随着薄膜厚度变化的研究  59-61
  5.3 孔正六角阵列的透过率随着孔周期和孔直径变化的研究  61-63
  5.4 孔正六角阵列的透过率随着入射光不同偏振方向变化的研究  63-71
  5.5 讨论与分析  71-72
  5.6 本章小结  72-74
第六章 论文总结与展望  74-76
  6.1 研究工作总结与主要结论  74
  6.2 有待进一步研究的内容及展望  74-76
参考文献  76-81
发表论文及参与科研情况  81-82
致谢  82

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 等离子体物理学
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