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光子学向纳米尺度方向的微型化是现今一个非常热门的研究方向,因此,作为具有突破传统衍射极限潜能的表面等离子体波的研究及应用越来越受到人们的关注。表面等离子体波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激发态衰逝波。通过金属表面的纳米尺度亚波长结构调制,能对沿着表面传播的传输波场进行控制,尤其是控制它与光的相互作用,在未来的纳米光子器件、纳米芯片光电集成等领域具有巨大的应用前景。另一方面,作为传统的利用聚焦激光光梯度力实现的3D光物质操纵研究的补充,表面等离子极有可能成为实现2D平面光物质操纵的最有效手段。上述是表面等离子体波在纳米光子学的其中两个重要方向:光子传输以及光子操纵中的应用。
本文主要是对作者在硕士期间所作的关于上述两个方面工作的总结,分为四章。具体内容安排如下:
第一章:介绍了纳米光学、表面等离子体的研究背景;从理论上简略描述了表面等离子体波的特殊性质,同时还简单描述了在理论上模拟表面等离子体波的研究方法;介绍了表面等离子体的应用领域和应用前景。
第二章:主要由三部分组成。第一部分,通过运用耦合模理论和散射矩阵理论,推导出我们所设计金属-介质-金属(Metal-Dielectric-Metal,或MDM)腔-波导复合结构的理论透射方程式;第二部分,通过时域有限差分法(FDTD)对我们所设计腔-波导复合结构进行数值模拟,并与第一部分的理论结果相印证,从理论上分析该结构的透射特性;第三部分,采用非线性时域有限差分法,讨论了光束在我们所设计的腔-波导复合结构中的光开关特性,并讨论其作为纳米光开关器件的优势。
第三章:从实验上讨论表面等离子体波与微米粒子的光操纵,主要分成两个部分。第一部分:研究不同金属材料激发的表面等离子体波响应反射光谱。第二部分,通过改变激发光的光强、聚苯乙烯小球水溶液浓度、激发持续时间、激发光的偏振态等,研究表面等离子体波对微米粒子的光操纵特性。
第四章,对本论文进行了总结和研究展望。总结了本文的创新成果和不足,并叙述了该方向上可以进行的下一步研究。