亚波长金属圆板及其阵列结构的矢量衍射

论文摘要

随着精密加工技术的发展,光学元件的结构尺寸已经能够达到微纳米量级。光学微结构包含了许多独特的光学特性,受到越来越多研究人员的关注,从而衍生出许多新型交叉学科,比如近场光学、原子光学、表面等离子体光子学、光学晶格等。衍射作为基本且重要的光学现象,在光学领域是普遍存在的。本文从微纳米层面出发,研究了亚波长金属圆板及其阵列结构的矢量衍射。概括了矢量光场的光学特性以及矢量光场和矢量光束方面的研究应用,介绍了矢量衍射理论的基本原理,综述了表面等离激元的特性及激发方式。用有限元法研究了线偏振平面波通过亚波长薄圆板的矢量衍射。研究发现,近场衍射区域不仅存在入射偏振分量,而且还存在其它两个垂直方向的偏振分量。无论圆板的波长与半径之间的关系如何,衍射场都可以演化成稳定的环形衍射图样,其中存在一个中心亮点(即所谓的泊松斑)。电场振幅平方与平均坡印廷矢量作为两种强度表达式在传播距离很小的情况下,其衍射特性有明显的差异,而当传播距离较大时(如大于一个波长)可以认为它们是相同的。无论波长和圆板半径什么关系,光强在中心轴线上随传播距离的增大都能演化成一个稳定值。应用矢量平面角谱法推导了线偏振高斯光束通过亚波长圆板衍射场中光场的解析表达式,利用数值计算软件Mathematic研究了消逝场和传播场在近场衍射区域的演化,并与有限元法的研究结果进行了比较。研究了圆板衍射的磁场特性,发现衍射区域磁场截面的二维分布图样与电场类似,但是磁场在传播方向上的演化与电场差异明显。同时,提出一种薄金属圆板与原子耦合的混合系统,发现在薄金属圆板100纳米以内形成了亚波长势阱,可以对单个或少量冷原子进行囚禁。通过改变圆板参数,可以对混合系统中原子势阱的囚禁距离与势阱体积进行调控。研究结果对微纳米光学器件与原子物理提供了一种新的混合系统方案。在单圆板矢量衍射的研究基础上,提出了3×3金属圆板阵列方案。首先,强调了仿真计算中波源和吸收边界条件的设置问题。其次,研究了不同入射波长下圆板阵列附近的光场分布,分析了局域表面等离激元在圆板上的分布以及局域场增强效应,讨论了吸收光谱在不同参数下的变化。重点研究了衍射光场的近场耦合与局域表面等离激元耦合的异同。最后讨论了加入二氧化硅基底对光场光强的影响。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 矢量光场与衍射
•     1.1.1 矢量衍射的研究背景
•     1.1.2 矢量光场的研究进展
•   1.2 表面等离子激元的研究进展
•   1.3 本文的主要内容
•   1.4 本文研究的主要创新点
• 第二章 亚波长圆板的矢量衍射特性
•   2.1 引言
•   2.2 薄圆板衍射的结构与材料选取
•   2.3 平面波亚波长圆板衍射的横向分布特征
•   2.4 平面波圆板衍射光强随传播方向的演化特性
•   2.5 高斯光束圆板衍射的角谱分析
•     2.5.1 矢量角谱法的计算推导
•     2.5.2 消逝场与传播场的数值模拟
•   2.6 本章总结
• 第三章 圆板衍射的磁场特性以及原子囚禁方案
•   3.1 引言
•   3.2 衍射场中磁场的矢量特性分析
•   3.3 基于圆板衍射的固态-原子混合系统
•   3.4 本章总结
• 第四章 亚波长金属圆板阵列的衍射光场
•   4.1 引言
•   4.2 平面波源和边界条件的选择
•   4.3 金属圆板阵列的局域表面等离激元
•   4.4 金属圆板阵列的近场耦合
•   4.5 衍射场中的光强分布
•     4.5.1 三维网状暗中空光场
• 2基底对光强分布的影响'>    4.5.2 SiO₂基底对光强分布的影响
•   4.6 本章总结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表及录用情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 聂之峰

导师: 王正岭

关键词: 矢量光场,矢量角谱法,圆板衍射,近场耦合,局域表面等离激元

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 江苏大学

分类号: O436.1

总页数: 72

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