亚波长金属结构的光学透射特性研究

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亚波长金属结构可以实现高透射率、低发散角、能突破衍射极限等特性,近年来受到越来越多学者的重视。通过调节亚波长结构的几何参数,其透射率、透射峰值波长等会发生改变,使人们能够在亚波长尺度上操纵和控制光子;基于此可以设计新型的光学器件和系统,如纳米成像、表面等离子体激元耦合器、纳米光刻技术、光开关、光学传感等。  本文用有限差分时域方法研究三种亚波长周期性金属结构,分别是一维锥形狭缝结构、具有伞状塞的二维亚波长孔阵列结构、二维“回”形阵列结构,探讨异常光的透射性质。具体内容如下:  我们研究了一维周期锥形金属狭缝结构,通过改变其几何参数,如金属薄膜厚度 h、倾斜角α、周期Λ和下底宽g,研究各参数对透射率的影响。金膜厚度为300 nm时透射率最高;正向照射优于逆向照射;周期狭缝之间的间距越大,透射率越大而增透比越小;我们给该一维周期狭缝结构的每个结构单元均增加一定厚度的底,透射峰值随厚度增加出现红移;金膜厚度增大、周期增大,均出现红移现象;锥角增大、狭缝宽度增大,均伴随蓝移现象。从色散关系出发,我们推导了狭缝内的共振条件,其结果与用FDTD方法模拟结果相符。  我们研究了一种具有伞状塞的亚波长孔阵列结构。该结构状似小孔被伞盖遮挡,却可以实现透射率的大幅度提高。金膜越薄,透射率越高,当金膜厚度为10 nm时,最高高达88%。当遮盖通光孔的伞状塞的伞盖半径增加至55 nm时,透射率达到最大,并且伴有红移现象。我们所提出的伞状塞亚波长孔阵列结构,在不减少导体面积的同时,保证了透过率,这在实际应用方面将有很大的指导意义及应用前景,如太阳能电池、传感器等。  我们研究了一种“回”形结构,分析其透射性质和场分布,进一步理解局域等离子共振和表面等离子体共振对异常光透射的影响。通过改变内外边长,我们达到调控透射率及透射波长的目的,其最大透射率超过90%;内边长增大,增透比变大;间隙增大,透射峰值发生蓝移。场强分布图显示,共振主要发生在与入射光偏振方向垂直的狭缝处,而与之平行的狭缝尺寸对透射影响可以忽略不计;最大场强分布在中央金膜的四个角上,即越尖锐处其共振越强。中央金块激发了其周围的局域等离子体共振,使单一方孔内的场强分布发生巨大的变化。
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