飞秒脉冲在纳米金属光栅的传输特性研究

摘要

近场光学是研究距离物体表面一个波长以内(即近场区域)的光学现象的新型交叉学科，近场光学对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破。飞秒脉冲经纳米金属光栅结构的传输特性也属于近场光学范畴。飞秒脉冲经纳米金属光栅的透射特性的研究对研究纳米金属结构的透射增强特性具有重要的基础意义，而且对脉冲整形和脉宽展宽的研究具有重要的理论价值。飞秒脉冲经纳米金属光栅的透射特性的的研究对研究表面等离子激元在金属结构透射增强中的作用具有重要的学术价值。 本文利用适用于金属的二维色散时域有限差分法(2D—Dispersive FDTD Method)，并引入了Drode模型编制了程序包，对超快脉冲经不同条件下的纳米金属结构的时域信号分布进行了数值模拟。通过改变金属银(Ag)膜的厚度、纳米金属结构的缝宽、光栅周期、入射脉冲的有效弛豫时间、接收位置等，获得了飞秒脉冲经纳米金属结构的时域信号分布，并通过傅立叶变换得到相应的谱分布，分析了产生不同时域信号分布的原因。本文同时通过对飞秒脉冲经理想导体和镀有Ag膜的纳米金属结构的时域信号分布和谱分布进行了对照，分析了表面等离子激元在透射增强中的作用。全文内容共分六章。 第一章主要介绍了课题的研究背景，简单概述了表面等离子激元在近场光学中的应用以及超短脉冲的基本理论和发展现状。 第二章介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理以及特点，讨论了时域有限差分法数值解的稳定性以及时间步长与空间步长的关系，给出了时域有限差分法中目前常用的完全匹配层(PML)吸收边界条件，通过解Maxwell方程组给出有限差分的迭代公式。 第三章针对金属的负折射率特性，通过引入德鲁得(Drode)色散模型，自主编制了FDTD计算程序，并通过一个中间变量J使得迭代简单，更易于计算。 第四章利用色散的FDTD计算程序数值模拟了超快脉冲经纳米金属结构的时域信号分布，并通过傅立叶变换得到相应的谱分布，通过改变金属银(Ag)膜的厚度、纳米金属结构的缝宽、光栅周期、入射脉冲的有效弛豫时间、接收位置等研究了超快脉冲经纳米金属结构的透射特性。根据时域信号分布和相应的谱分布对飞秒脉冲经纳米金属光栅的透射特性进行了分析。通过比较飞秒脉冲经理想导体和镀有Ag膜的金属结构的输出时域信号分布简单分析了表面等离子激元在纳米金属结构透射增强中起的作用。 第五章基于时域有限差分法，研究了飞秒脉冲经光栅的传输时域特性。计算结果显示飞秒脉冲经过光栅输出的时域波形随着入射脉冲的有效弛豫时间的变化而变化，同时也受到光栅参数的影响。通过根据时域有限差分法编制程序包数值模拟飞秒脉冲经理想导体输出的时域信号分布，通过接收到的脉冲包络我们发现了很多有趣的现象。在脉冲传输过程中，在适当的条件下出现了脉冲展宽、脉冲包络的起伏、脉冲振动的分裂以及超光速现象。 第六章总结了本论文的主要内容，制定了后续工作计划。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2表面等离子体激元的基本电磁理论

§1.3飞秒激光的基本理论和发展现状

§1.4论文的主要工作及内容安排

第二章时域有限差分法

§2.2时域有限差分法的基本原理

§2.3吸收边界条件

第三章纳米金属结构中FDTD方程的编制及设计

§3.1引言

§3.2金属介质的Drode色散模型

§3.3适用于金属的二维色散修正的麦克斯韦差分方程

§3.4纳米金属结构边界处的FDTD方程

第四章飞秒脉冲经纳米金属结构的透射特性

§4.1飞秒脉冲在不同的有效弛豫时间下的透射特性

§4.2飞秒脉冲在金属缝宽不同条件下的透射特性

§4.3飞秒脉冲在金属薄膜厚度不同的条件下的透射特性

§4.4飞秒脉冲在不同的接收位置处的透射特性

§4.5飞秒脉冲经不同的缝簇时的透射特性

§4.6飞秒脉冲经金属导体与理想导体的比较

§4.7结论

第五章飞秒脉冲经高密度光栅的透射特性

§5.1引言

§5.2高密度光栅传输场中的时域有限差分法

§5.3飞秒脉冲经光栅的传输

§5.4透射脉冲的谱分布

§5.5结论

第六章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的文章

致谢