太赫兹椭圆形金属线表面等离激元的特性研究

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太赫兹波在成像、传感、通信以及生物医学等领域都有大量潜在的应用,因此近年来正受到广泛关注,为学术前沿的热点之一。由于太赫兹波在空气中的传输损耗比较大,因此需依赖一些特定的波导实现远距离传输。研究发现金属线波导具有低损耗、低色散、结构简单的特性,是一种有效的太赫兹波导。这种太赫兹金属线波导的传输特性可用表面等离激元来解释。与太赫兹波相似,表面等离激元也是当前研究的热点。太赫兹金属线表面等离激元恰好处于这两大研究热点的交叉点上,因而备受关注。此前,人们已对太赫兹圆形金属线表面等离激元的特性进行了大量研究,本文则对太赫兹椭圆形金属线表面等离激元特性进行了研究。本论文研究内容主要有以下两个方面:(1)对太赫兹单椭圆形金属线表面等离激元的特性进行理论分析,使用有限元(FEM)方法进行数值仿真,并对单椭圆形与圆形金属线表面等离激元的特性进行了比较。(2)设计了一个双椭圆形太赫兹金属线表面等离激元连接器,并通过WKB近似和三维全场数值仿真计算了它的耦合效率。该连接器可用于把近似平板波导中的太赫兹波高效地耦合进双圆形金属线波导。本论文的创新性工作如下:1.通过对圆形太赫兹金属线表面等离激元的特性进行数值仿真,验证仿真结果与已有结果相一致,以此验证数值仿真方法的可行性。接着对太赫兹单椭圆形金属线表面等离激元进行了数值仿真,发现随着长轴与短轴比值的增加,椭圆形金属线的场逐渐分裂开,逐渐向椭圆的两个尖端区域集中,并且传输损耗也在显著减小。结果表明,相较于圆形金属线,单椭圆形金属线表面等离激元在保持低损耗、低色散特性的同时,其模式场拥有更强的局域性。由于引入了长短轴,椭圆形金属线在设计上也拥有更多的自由度。2.根据太赫兹双圆形金属线的一些特性,设计了一个太赫兹双椭圆形金属线表面等离激元连接器。在连接器输入端,椭圆横截面的长轴与短轴之比远大于1。在连接器的输出端,长轴与短轴的长度相等。在输入端与输出端之间,椭圆长轴的值逐渐减小。首先我们运用了两维数值仿真,选取阻抗边界条件,得到有效折射率。然后利用WKB近似推导出的耦合效率的计算公式,计算出了耦合效率,分析了相关参量与耦合效率的关系。最后结果表明此结构可作为由近似平板波导向双圆形金属线波导过渡的高效连接器,其耦合效率可高达约94%。
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