二维亚波长周期结构光子器件研究

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表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是一种由光子与金属表面的自由电子相互作用而形成的激发态,可以将光束缚在亚波长结构中传播,打破了衍射极限的限制,能显著的缩小光子器件的尺寸。SPPs具有超高分辨率成像、透射增强、亚波长约束等突出特性,因此,SPPs在纳米光学成像、新型高效光源、生物传感等相关领域都具有潜在的应用价值。本文在总结表面等离子体激元的基本理论基础上,提出了一种新型金属-介质环结构的SPPs聚焦透镜,对以下问题进行了重点研究:通过计算分析选取了较为合适的结构参数,运用时域有限差分方法进行了相关数值模拟仿真实验。针对单金属-介质环结构聚焦性能的不足,进一步设计了多金属-介质环结构,研究了该结构的聚焦性能与环数N之间的关系,调节环数N在1~6范围内变化,可以使得焦距f在1.25μm到1.75μm范围内变化,焦深DOF的变化范围为1.1μm~2.2μm,半高宽FWHM的变化范围为228nm~300nm,具有很好的聚焦效果。在三环周期结构中,分别研究了内环半径r和环间隔t对聚焦性能的影响:固定t=0.5μm,调节内环半径r从0.2μm到2.5μm,可以使得焦距的变化范围为0.75μm~2.75μm;固定r=1.0μm,环间隔在0.4~0.7μm间变化时,对应的焦距变化范围为1.05μm~2.95μm。通过调节光源的入射角度,会使得焦点位置产生一定的偏转,入射角从0增大到30°时,对应偏转角θ的变化范围为0~49.63°。最后通过加入周期性凹槽结构,提高了该结构的聚焦效率,焦点处场强大小为2.5485v/m,较无周期性凹槽时提高了33%。相对于传统光学聚焦透镜,本文设计的聚焦透镜主要优势在于几何尺寸小、易于集成,为能早日实现亚波长领域的聚焦成像提供了一定的参考。
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