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表面等离激元(Surface Plasmon Polarizations SPP)由于能够突破衍射极限,在纳米光子学与纳米探测等领域都有着非常广阔的应用前景。作为传输和调控SPP的媒介,SPP波导是基于这一技术的光子集成的关键。在众多的SPP波导中,金属纳米线具有比较显著的优势,例如易激发、低损耗、传输方向性高等。本文在吸收和总结已有理论与实验的基础上,利用纳米银线展开了一系列的研究,就SPP在纳米银线中的传输规律进行了探讨。
首先,我们在第一章里总结概括了SPP波导结构的发展背景。尤其介绍了金属纳米线作为SPP波导的研究情况,及其相关应用等。
在第二章里我们利用麦克斯韦方程组推导了二维无限大金属/介质表面处SPP的色散关系,这对接下来的实验设计具有重要的指导意义。我们还简单介绍了实验过程中所用到的纳米银线的制备方法,并且分别在CCD与隧道扫描显微镜下对纳米银线进行了表征。同时,我们还就实验中用到的仪器设备进行了说明。
第三章我们主要探讨了SPP在纳米银线上的激发方式。首先我们就SPP的激发进行了总体的概括与介绍。接着我们完成了银纳米线端面辅助激发的实验,并探测了激发效率与入射光偏振方向之间的关系,发现当入射光的偏振方向与纳米银线的轴向一致时激发效率最大。最后我们利用时域有限差分法(Finite Difference Time DomainFDTD)对端面辅助激发的方法进行了仿真,直观的表示了银纳米线表面电场的分布情况。
第四章我们研究了SPP在纳米银线上传输过程中的损耗问题。通过数值仿真与理论推导得到了不同波长条件纳米银线上SPP的有效传输距离。接着深入分析了入射激光波长、纳米线直径等因素对SPP有效传输距离的影响。并通过研究纳米银线中模场的分布对上述现象进行了解释。
第五章中我们利用纳米银线设计了SPP的功能性器件。首先我们利用单根纳米银线完成了SPP偏振片的功能。实验过程中我们将不同偏振方向的光聚焦在纳米线的一端激发起SPP,在纳米线的另一端出射光的偏振方向与纳米线轴向一致,保持不变。接着我们利用点一线结构,线.线结构实现了偏振分束器与光强分束器的效果。
在第六章中,我们就实验过程中发现的规律和现象进行了总结,对某些由于时间限制未完成的实验进行了介绍,并对将来的工作进行了展望。