人工表面等离子体结构的研究及应用

目录

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摘要............................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................... I I 目录......................................................................................................................................... III 第一章绪论 (1)

§1.1研究背景及意义 (1)

§1.2 国内外发展及研究现状 (1)

§1.2.1 表面等离子体激元发展概述 (2)

§1.2.2人工表面等离子体激元发展历史和研究现状 (3)

§1.2.3 常见的人工表面等离子体结构 (4)

§1.3 论文的主要内容及章节安排 (8)

第二章人工表面等离子体激元基本理论与研究方法 (10)

§2.1金属表面一维周期性凹槽阵列结构分析 (10)

§2.2金属表面二维周期性孔阵列结构分析 (13)

§2.3本章小结 (16)

第三章超薄金属光栅SSPPs波导的传输特性研究 (17)

§3.1 单光栅人工SPPs波导结构 (17)

§3.1.1单光栅波导的色散特性分析 (17)

§3.1.2单光栅波导的传输特性分析 (18)

§3.2 单光栅与双光栅的对比分析 (19)

§3.2.1色散特性对比分析 (20)

§3.2.1传输损耗对比分析 (21)

§3.3 双光栅人工SPPs波导结构 (23)

§3.3.1 双光栅的色散特性分析 (23)

§3.3.2 双光栅的模式特性分析 (26)

§3.4 复合周期单光栅结构的传输特性研究 (28)

§3.4.1 复合周期结构物理模型 (28)

§3.4.2 复合周期结构的色散特性分析 (28)

§3.4.3 复合周期结构的双频传输特性分析 (29)

§3.5 本章小结 (31)

第四章 SSPPs波导的激励装置和功能器件研究 (32)

§4.1 奇模SSPPs波导的激励装置研究 (32)

§4.1.1微带馈电 (32)

目录

§4.1.2共面波导馈电 (34)

§4.2 基于单周期双光栅的SSPPs功能器件研究 (36)

§4.2.1微带SSPPs滤波器的仿真和实验研究 (36)

§4.2.2共面波导SSPPs滤波器仿真与实验研究 (39)

§4.2.3共面波导SSPPs弯曲滤波器仿真与实验研究 (40)

§4.3 基于复合周期双光栅的SSPPs功能器件研究 (42)

§4.3.1物理模型 (42)

§4.3.2 双频带SSPPs滤波器的仿真和实验研究 (43)

§4.4基于H型人工表面等离子体功分器的研究 (46)

§4.4.1 物理模型 (46)

§4.4.2 复合H型和H型SSPPs结构传输特性分析 (47)

§4.4.3 激励装置与实验测试 (48)

§4.5本章小结 (52)

第五章总结与展望 (53)

§5.1总结 (53)

§5.2展望 (54)

参考文献 (55)

致谢 (60)

作者在攻读硕士学位期间的主要研究成果 (61)

第一章绪论

第一章绪论

§1.1研究背景及意义

随着纳米技术和集成电路的发展，光子器件和集成电路不断地追求小型化，然而由于衍射极限的限制，使传统的光子器件尺寸只能限制在微米量级。由于表面等离子激元（Surface Plasmon Polaritons，简称SPPs）能够突破衍射极限，增强透射，并将电磁波约束在亚波长的尺寸结构中，所以它迅速的吸引了国内外众多学者的关注，成为了最近科学界上一个研究热点。SPPs发生在金属和介质交界面，是一种光子和电子的混合激发态[1]。当光波（电磁波）入射到金属与介质的交界面时，光子和金属中的自由电子相互耦合作用，这样就产生了一种新的电磁模式。这种电磁模式场强振幅在交界面处达到最大并向前传播，在垂直于界面处的介质和金属中呈指数衰减，它的电磁场被束缚在金属和介质的表面附近很小的范围内，因此SPPs是一种表面电磁波，并且将光子学和电子学联系起来。但是金属的等离子震荡频率一般都位于光频段乃至更高，所以在微波和THz波段，金属近似于理想导体，其趋肤深度很小[2-3]，电磁波很难透射入金属并与金属中的自由电子发生共振，虽然理论上仍然可以传导SPPs，但是由于其传播距离很短，很难直接观测到SPPs的传输效果，以致于SPPs在太赫兹和微波低频频段的研究一直处于空白。

2004年，英国的科学家Pendry等人研究发现，在金属表面制作具有亚波长尺寸的周期性“槽”或“孔”阵列结构后，能够在微波和太赫兹波段传输类似于光波段的表面等离子体激元的表面波[4]，从而打开了SPPs在低频段的研究和应用的大门。Pendry教授等人将这类周期性“槽”和“孔”的金属表面所支持的表面电磁波叫做人工SPPs（spoof SPPs，简称SSPPs），该结构叫做人工表面等离子体结构，又叫人工SPPs波导（SSPPs波导）。SSPPs波导传输电磁波的特性(例如频率、带宽、传输效率等)直接受亚波长槽或者孔的形状和结构参数控制，这为人工控制电磁波的传输提供了崭新的途径。因此，SSPPs波导结构在微波及THz波传输领域中具有独特的优越性和良好的应用前景。尤其对于THz波(频率在0.1～10THz范围内的电磁波)，在自由空间中的传输损耗大，且采用普通的微波传输方式也难以实现有效传输，而采用SSPPs传输将是一种有效的方式。而在微波波段，SSPPs在减小集成电路电路信号线之间的串扰也有着重要的应用。因此，人工SPPs在发展新型THz波导以及微波集成电路的小型化等方面有着重要的应用。

§1.2 国内外发展及研究现状