人工局域表面等离激元的粒子链传输特性研究

摘要

在光学频率下，表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPP）是在金属和电介质之间的界面上传播的表面电磁波。局域表面等离激元（Localized Surface Plasmons,LSP）是电子与电磁场耦合的非传播的激发，主要局限在金属纳米粒子或纳米结构表面。在较低频率下，金属的行为类似于完美的电导体（PEC），SPP无法被激发。为了在微波,太赫兹波段实现类SPP、LSP的电磁特性，人们利用结构化金属表面实现了传输和局域的人工表面等离激元（Spoof LSP）。SpoofLSP在化学和生物传感器、光学天线、电磁能量传输等方面具有非常广泛的潜在应用。 基于金属螺旋结构单元粒子的电磁共振特性，本文研究了螺旋粒子二聚体的电磁耦合特性，以及周期排列的螺旋粒子链的电磁传输特性。基于该粒子链，设计了Y型分束器和马赫-曾德（MZ）干涉仪两种波功能器件。论文主要内容分为两个部分： （1）研究了金属螺旋结构单元粒子的Spoof LSP共振特性和螺旋结构二聚体的耦合特性。在平面波激励下，通过分析探针测得单元结构的谐振频谱，该螺旋结构单元存在电偶极子和磁偶极子两种谐振模式。两个紧邻的螺旋粒子构成二聚体结构，两者之间的耦合作用使共振峰发生劈裂，电偶极子劈裂的两个峰中，较低频率模式是同相的，较高频率模式是反相的；而磁偶极子两个劈裂模式刚好相反，较低频率模式是同相的，较高频率模式是反相的。我们采用耦合模理论计算分析了金属螺旋二聚体的耦合特性，并实验测试了谐振谱线和电场的近场分布，仿真、计算和实验测试结果吻合的非常好，证实了研究结果的可靠性。 （2）研究了周期排列的粒子链直波导和折弯波导的电磁传输特性，并设计了两种波功能器件。基于耦合模理论，计算了局域表面等离激元沿一维有限长粒子链传输的色散关系，证明了谐振频谱传输带宽与色散曲线相一致且周期排列的粒子链波导能够支持磁耦合的Spoof LSP传输。同时研究了具有不同角度折弯、不同的分离间隔和错位等缺陷的粒子链波导对电磁波传输特性的影响，粒子链波导表现出良好的鲁棒性。基于周期排列的粒子链，设计了Y型分束器、MZ干涉仪两种波功能器件。加工并测试了各种粒子链波导、折弯、分束器和MZ干涉仪等样品，实验、仿真结果基本一致，说明在微波功能器件中具有较好的实用性和应用价值。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 表面等离激元发展历史

1.2 表面等离极化激元概述

1.2.1 SPP的色散关系

1.2.2 SPP的波长、传播长度和趋肤深度

1.3 局域表面等离激元概述

1.3.1 人工局域表面等离激元的发展

1.3.2 人工磁局域表面等离激元的发展

1.4局域表面等离激元粒子链的传输

1.5 研究意义和论文内容

2 研究方法

2.1 数值分析方法

2.1.1有限积分法

2.1.2有限元法

2.1.1时域有限差分法

2.2理论计算方法

2.3 仿真方法和实验方法简介

3 螺旋结构人工局域表面等离激元耦合特性研究

3.1 金属螺旋结构单元电磁特性研究

3.1.1金属螺旋结构单元设计

3.1.2仿真结果与讨论

3.1.3实验加工与测量

3.2 金属螺旋二聚体的人工局域表面等离激元耦合特性研究

3.2.1结果与讨论

3.2.2耦合模理论分析

3.3小结

4 螺旋结构人工局域表面等离激元传输特性及器件设计

4.1 螺旋结构粒子链的人工局域表面等离激元传输特性分析

4.1.1周期排列的螺旋粒子链直波导的传输特性研究

4.1.2周期排列的螺旋粒子链折弯波导的传输特性研究

4.1.3 波导的鲁棒性分析

4.2 基于螺旋结构的波功能器件设计

4.2.1 分束器

4.2.2 马赫—曾德（MZ）干涉仪

4.3小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历

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