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一维金属光栅结构简单,制备容易,有丰富的光学性质,因而在理论和应用上都有重要意义。自Wood发现Wood反常以来,大量研究关注一维金属光栅的光学特性。近年来,表面等离激元学(Plasmonics)蓬勃发展,表面等离激元偏振子(Surface Plasmon Polaritons,简记为SPPs)由于其在光电子学、生物和气体探测方面的潜在应用成为研究热点。作为激发表面等离激元的一种简单结构,一维金属光栅也再次受到广泛的关注。本论文研究一维金属光栅的光学性质。
利用严格耦合波分析法(Rigid Coupled-Wave Analysis,简记为RCWA),在简单一维金属光栅中,确认了瑞利反常、水平方向表面等离激元驻波共振、微腔模式三种共振机制,分析了这三种共振吸收发生时反射率变化和近场电磁场分布。系统考察了一维金属光栅反射率和多个参数的关系,包括:光栅周期、凹槽宽度、凹槽深度、入射角等。改进完全导体近似下关于微腔模式的模型,新模型较好地给出了实际金属光栅微腔模式共振吸收峰。
考察了一个周期内凹槽数J=2,3的复合金属光栅的光学性质。分析了J=3的复合金属光栅中出现的相位共振,给出了相位共振发生时近场场强相位分布特点。研究了一个周期内凹槽深度不一致的复合金属光栅,提出简单的波导模型来解释各共振模式导致的吸收峰,和数值计算结果很好吻合。特别考察了结构上的非对称性激发新的共振模式的情况,并研究新共振吸收的特点。
本文在严格耦合波分析法理论框架下,提出计算凹槽内电磁场分布的方法改进,以避免处理浮雕式光栅问题时可能的数值溢出。论文中的模拟结果表明,该改进方法可以得到数值稳定的结果。