基于相位调制的表面等离激元动态调控研究

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表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种束缚在金属/介质分界面传播的电子/光子混合表面波,具有波长小于激发光波长、电场强度增强大、对介质折射率变化敏感等特点,在高灵敏度生物传感器、纳米激光器、等离激元光镊、等离激元芯片、等离激元热疗法、全光器件、太阳能电池和隐身等方面得到了广泛的应用,非常有潜力发展为下一代全光集成芯片中的信号传输媒介。因此,许多研究小组对表面等离激元的调控特性进行了研究,但他们的研究大多利用固定的激发结构对表面等离激元的性质进行调控,一种结构只能对应于一种特定的表面等离激元分布,无法对表面等离激元实现动态调控。本文在前人的工作基础上,提出了一种基于入射光相位调制的表面等离激元动态调控方法。为证明这种方法的普适性,本文用这种方法产生了多种表面等离激元分布,如余弦高斯等离体光束、艾利表面等离子体光束、等离子体的聚焦等,并以动态耦合为例说明了其在全光芯片通信中的潜在应用。  论文第一章对表面等离激元进行了概述性介绍,回顾了其产生和发展的历史背景,对金属独特的光学性质进行了说明,推导了表面等离激元场的具体形式和色散方程,利用色散方程说明了表面等离激元激发的必要条件—波矢补偿。本章最后介绍了表面等离激元的激发方式和应用。  第二章系统介绍了表面等离激元动态调控的理论研究方法,对每一种表面等离激元激发结构,文章都介绍了相应的解析计算模型:对于衰减全内反射结构激发表面等离激元,用角谱传播法进行解析计算;对于紧聚焦结构激发表面等离激元,考虑到光束的矢量性,用Richards-Wolf矢量衍射理论进行解析计算;对于光栅结构激发表面等离激元,用处理表面波传播的矢量衍射理论进行解析计算;最后介绍了适用性最广的电磁场数值模拟方法—时域有限差分法,可以对任意结构中电磁场分布进行数值计算,用于对前面解析计算结果的验证。  第三章为表面等离激元动态调控的理论与实验研究,具体介绍了本文提出的基于相位调制的表面等离激元动态调控方法。首先对其他研究小组关于表面等离激元的调控工作进行了概述,指出表面等离激元动态调控的必要性;然后对基于相位调制的表面等离激元动态调控进行了详细研究,理论上我们建立了表面等离激元动态调控的解析模型,对表面等离激元的动态调控进行理论研究,实验上设计并搭建了用于表面等离激元动态调控的实验系统,用于表面等离激元动态调控的实验研究,最后用本文提出的方法产生了多种表面等离激元分布,如余弦表面等离激元光束、艾利表面等离激元光束、等离激元的聚焦等,并以动态耦合为例说明了其在全光芯片通信中的潜在应用。  最后一章为总结与展望,对本文的主要工作进行了总结,对可进一步开展的工作进行了展望。
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