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表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是光波和金属表面自由电子相互作用形成的一种电磁波模式,该模式的场强紧密束缚在金属表面,离开金属表面沿着垂直方向指数衰减。由于它能将激发的电磁场能量局域在亚波长尺度范围内,突破衍射极限,并且具有巨大的局部场增强效应,因此在纳米光子器件及非线性光学等领域具有重大的应用前景。本论文详细分析了表面等离激元的基本原理和应用,以及几类典型波导的模式特性,并设计了新型纳米线波导。具体内容如下:1.本论文研究了表面等离子体激元波导产生的机理以及表面等离子体激元的传播特性。接下来,简单地介绍了几种由金属和介质等构成的表面等离激元波导以及研究现状。2.介绍了一系列金属纳米线波导结构,包括单个金属纳米线结构,金属纳米线-玻璃衬底结构,金属纳米线-硅衬底结构。在实际的应用中,金属纳米线需要放在衬底上,衬底的存在将打破纳米线基模呈轴对称的电场分布,从而改变表面等离激元的色散关系。3.本论文设计了金属纳米线—金属膜的结构,相比于传统的金属纳米线—介质衬底结构,新型纳米线波导能够局域98%的SPPs电磁场在纳米线的上表面区域。波导可以在较宽的波长范围内(λ=600 nm-1000 nm)实现更远距离(Lm=23 μm-480 μm)的传输特性,亚波长的模式束缚能力(模式面积Am=0.07λ2-0.38λ2),更适合应用于等离子体回路等信息传输设备。4.为了探索新型纳米线波导的模式特性,将Ag纳米线放置于Ag膜上,Ag纳米线和Ag膜之间覆盖一层MgF2。与传统纳米线—衬底介质波导模式相比,该波导的模式可以实现5倍以上的传输距离,并对周围介质的折射率变化有着更高的敏感性。当波导周围的介质的折射率变化0.001,新型纳米线波导的SPP模式的有效折射率变化幅度接近1,而传统纳米线波导有效折射率变化幅度小于0.4。新型纳米线波导特有的外部场束缚特点对周围介质敏感,传输损耗小,非常适合应用于传感器等纳米光学设备。5.混合等离子体波导(Hybrid Plasmonic Waveguide,HPM)弥补了传统表面等离子体波导的缺点。新型水平对称的混合等离子体波导(Horizontal Symmetry Plasmonic Waveguide,HSHPW)是由一个圆柱形Ag纳米线和高折射率Si垂直放置于介质基底上。它结合了杂化SPP模式、长程SPP模式和楔形模式的优点,该波导的SPP模式将SPPs的能流束缚在Ag纳米线高折射率Si之间,可以高度局域模式并且显著减少能量损耗。可以实现较远的传输距离(7.8mm),同时保持亚波长的局域效果(有效模式面积仅0.02λ2)。与传统的杂化波导模型相比,该模型的传输特性更加优异,非常适合用于制作高密度光子集成电路是等器件。