论文部分内容阅读
光波导、光开关和光耦合器等基于表面等离子体的新型光子器件，在光通信、信息存储和光子回路等领域具有巨大的应用前景。随着纳米光刻技术的发展，使表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)能在纳米尺度下操控光子的运动。在光与亚波长金属微纳结构相互作用的研究中，发现了许多新效应、新应用。光波照射在周期性亚波长圆形孔阵列而产生的光超强透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象，是关于表面等离子体激元最具吸引力的发现之一。发光二极管（Light Emitting Diodes，LED）作为第四代固态照明工具必将引起照明技术的革命。LED芯片的高折射率导致光提取效率比较低，因此人们迫切需要制造出高效率、高亮度的LED。国内外研究人员发现，金属/介质界面以及亚波长金属微纳结构产生的表面等离子体激元能够提高LED的光提取率。本论文在国内外现有研究的基础上,运用三维或二维时域有限差分法(FDTD),结合金属色散及相关电磁场理论。研究了具有周期性亚波长鱼形孔阵列微纳结构金属膜的光学透射特性,探讨了单元尺寸和孔形状对鱼形孔阵列金属微纳结构的光学滤波特性。研究了具有金属微纳结构的GaN-LED辐射增强特性，探讨了微纳结构参数及电偶极子源的位置对GaN-LED光提取率的影响，主要内容如下：（1）介绍了表面等离子体的基本性质及超强光透射现象的物理机理，并详尽介绍了本论文中运用的电磁场的数值模拟方法—时域有限差分(FDTD)方法的基本理论，介绍了LED的内量子效率、光提取率和外量子效率以及他们之间的关系。（2）利用三维FDTD方法，模拟计算了亚波长鱼型孔阵列结构的光传输特性，结果显示鱼形孔阵列金属微结构具有较高的透射效率，并且具有较高的滤波品质因子。通过分析电场分布图，揭示了这种透射的两种不同物理机制：局域波导共振模式和表面等离子体共振模式。两种共振模式在鱼形孔区域的不同位置、不同时刻以不同形式出现。（3）利用三维FDTD方法，模拟计算了具有金属_介质倒装结构GaN-LED的辐射增强特性。并用二维FDTD方法，模拟了计算了在金属_介质倒装结构模型中加入周期性狭缝阵列金属微纳结构的辐射增强特性；模拟了计算了金属光栅微纳结构模型的辐射增强特性。