利用FDTD对有限金属狭缝阵列结构船身行为的分析研究

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自从1998年Ebbesen首次报道亚波长金属圆孔阵列对光波具有增强透射现象以来,大量的研究工作致力于探索其中蕴藏的丰富物理内涵,并希望借助于特殊结构设计对光波在纳米尺度范围内进行有效操控。研究结构表明:金属亚波长结构不仅可以获得透射光束在频谱强度上的异常增加,而且可以实现透射光束在空间上的准直聚焦,其中的物理机制与金属结构表面等离子体激元(Surface Plasma Polaritons-SPPs)的产生密切相关。尽管如此,目前这些研究大都集中在无限周期结构和单元隔层厚度较大的情况,通常忽略了结构边界效应和传输过程中各单元之间电磁波的相互耦合过程。   本文基于Matlab语言编写了二维时域有限差分(FDTD)算法程序,并通过大量的数值模拟分析研究了金属亚波长狭缝阵列结构在单元数目有限及其隔层厚度超薄的情况下对入射光波的异常透射特性。主要结论如下:⑴通过模拟透射光束在频域内的光谱分布曲线,我们发现对于有限数目和超薄隔层的周期性金属狭缝阵列结构,其光谱透射率在特定波长位置处出现明显的凹陷现象,也即此时该结构对光波透射具有一定的抑制作用。不仅如此,光谱凹陷特性还随狭缝厚度、长度和宽度等结构参数发生变化。模拟分析表明,透射光谱凹陷对应于磁场分布在不同狭缝间的位相跃变过程,其物理机制来源于结构边界效应和相邻狭缝内电磁场耦合的共同作用。⑵通过仿真模拟透射光束在空域内的二维分布图像,我们发现在有限数目和超薄隔层的情况下,无论是周期性还是具有空间啁啾的金属狭缝阵列结构均可以实现对入射光波在近场区域内的空间聚焦行为,并详细分析了光束聚焦特性随狭缝结构几何参数的变化关系。进一步的理论分析表明这种光束聚焦效应是由于结构出射面上不同狭缝辐射电磁波在空间内相互干涉叠加的结果。本研究对于深入理解金属亚波长狭缝结构的异常透射物理过程,以及开发设计新型纳米光子器件等具有重要意义。
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