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金属/介质结构表面等离激元负折射现象的研究

作　者: 李林
导　师: 孔凡敏
学　校: 山东大学
专　业: 无线电物理
关键词: 负折射率材料表面等离激元时域有限差分法平板透镜
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 2次
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内容摘要

负折射率材料是指介电常数ε和磁导率μ都小于零的介质材料,在这种介质中折射率n为负数。当电磁波在这种介质中传播时,电场矢量、磁场矢量和波矢之间的关系不再遵循普通介质中电磁波的右手定则,而是构成了左手关系,所以又被称为左手系材料(LHM)。在负折射率材料中波矢k与能流密度S传播方向平行相反,由此导致了光的负折射、负Doppler效应和负Cerenkov辐射等一些反常的物理现象。2001年在微波频段首次利用特殊结构周期排列的复合介质能同时得到负介电常数和负磁导率,从而在试验上验证了制备这种材料的可行性。目前研究的负折射现象多在微波波段实现,要在光频段,甚至在可见光波长的范围实现负折射,则可以用表面等离激元(Surface Plasmon Polarizations,SPPs)来实现。表面等离激元就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。通过SPPs与光场之间的相互作用,能够实现对光传播的主动操控,可以将光的传播局限在很小的范围,甚至可以小于光的波长。如果找到可以产生负折射现象的等离激元波导,就能实现在可见光范围内的负折射,可用于控制光在纳米尺寸的传播,集成光路里的光引导元件,制作更高分辨率的透镜,等离子光子芯片等。本文主要研究了不同结构的表面等离激元波导中产生的负折射现象,分析了电磁波在这些结构中的传播状况,并对结构的介电系数,磁导率进行了仿真计算。论文在第一章介绍研究背景及当前国内外的进展情况,我们所做的主要工作。第二章介绍负折射的相关概念,产生的方法。第三章给出了表面等离激元的基本理论,实现的条件,产生的特殊现象,并介绍了采用的数值计算方法FDTD方法以及在仿真条件下用的金属色散模型。第四章分析了在等离激元波导中产生的负折射现象,介绍了可以利用表面等离激元的传播来产生负折射现象的结构,通过时域有限差分法对不同结构进行模拟仿真,找到了可以产生负折射现象的波导模型,并且明显观察到了平板透镜成像的现象。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
缩略词索引  11-12
第一章绪论  12-15
  1.1 研究的背景与现状  12-13
  1.2 目前存在的问题与研究的意义  13-14
  1.3 本文的主要研究内容  14-15
第二章负折射现象  15-28
  2.1 负折射的概念  15-16
  2.2 负折射率的基本原理  16-18
  2.3 负折射率材料的奇异特性  18-21
    2.3.1 光线的反常折射  18-19
    2.3.2 逆Doppler频移  19-20
    2.3.3 反常Cerenkov辐射  20
    2.3.4 超级透镜  20-21
  2.4 产生负折射现象的判定条件  21-23
  2.5 目前的左手材料制备情况  23-28
第三章金属/介质结构表面等离激元  28-44
  3.1 表面等离激元的基本理论  28-31
    3.1.1 SPPs基本特性  28-29
    3.1.2 SPPs的产生  29-30
    3.1.3 SPPs的特殊效应  30-31
  3.2 SPPs的应用  31-32
  3.3 金属计算模型  32-34
    3.3.1 德拜模型  33
    3.3.2 Drude模型  33-34
  3.4 SPPs在金属中传播的时域分析方法  34-41
    3.4.1 FDTD在金属材料中的应用  34-40
    3.4.2 吸收边界条件  40-41
  3.5 SPPs的传输仿真结果  41-44
第四章表面等离激元波导与其产生的负折射现象  44-59
  4.1 表面等离激元波导简介  44-47
    4.1.1 SPPs波导简介  44-45
    4.1.2 SPPs色散关系分析  45-47
  4.2 纳米金属线结构的负折射分析与仿真  47-51
    4.2.1 纳米金属线阵列的负等效介电系数  47-49
    4.2.2 纳米金属对线的负折射现象  49-51
  4.3 金属/介质/金属结构的负折射现象  51-59
第五章结论  59-61
参考文献  61-66
致谢  66-67
学位论文评阅及答辩情况表  67

金属/介质结构表面等离激元负折射现象的研究

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