基于纳米天线的表面等离激元波方向性激发研究

论文摘要

表面等离子激元波（Surface Plasmon Wave,SPW）的发射与控制是等离子体学领域的重要研究课题之一,在等离子激元学的相关应用中起着至关重要的作用。由于动量失配,传统的SPW激发方案依赖于棱镜的全内反射或光栅的衍射,或是利用波导与汇聚光束所产生的消逝波,然而,这样的方案不适合紧凑和高度集成的光子器件。在这方面,通过纳米天线激发SPW,包括亚波长狭缝、孔径和纳米颗粒,代表了一种更为可行的方法。纳米天线对SPW的单向激发是基于方向相关的干涉效应。例如,由非对称狭缝激发的SPW具有不同的空间相位分布,因此,在特定方向上发生建设性或破坏性干涉。但是,这样的干涉都需要组合多个纳米天线,在尺寸上同样受到局限。因此,保持相干电磁偶极子的纳米颗粒是单向SPW发射器的良好候选者。考虑到电偶极子和磁偶极子,可以以不同的方式实现相干相互作用。或者圆极化偶极子本质上也是一种相干偶极子,可以由入射平面波的螺旋度来控制SPW的方向。然而,尽管存在大量这种具有方向性相干纳米天线,但是仍很少有用单个纳米天线定向选择性激发SPW。本论文以现有的研究成果与理论技术为前提,将研究纳米天线与SPW间的耦合作用,探讨利用纳米天线的不对称的波矢空间近场域来定向激发SPW的可行性。论文将以电磁多极展开理论、基于洛伦兹互易定理的近场-远场变换技术与场分布角谱表示为主要研究方法,从研究理想点源与SPW的近场耦合作用出发,在位置空间与波矢空间探讨惠更斯偶极子与圆极化偶极子的近远场分布情况。拟将对于点源的研究成果推广到实际的纳米天线。对应于惠更斯偶极子,提出了采用双频带多层金属-介质-金属（Metal-Dielectric-Metal,MDM）天线单向激励SPW的方案;而对应于圆极化偶极子,研究设计一种1/4圆锥型纳米天线用以控制SPW的激发方向。我们将对点源或纳米天线进行有限元全波数值模拟、近场-远场变换技术和近场角谱验证,并研究两种实际天线对SPW的定向激发特性,另外包括能量特性,参数控制特性等。纳米天线与SPW相结合将为表面等离子器件提供更多样的设计开发方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究意义
•   1.2 研究现状分析
•   1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 研究方法与数值实现
•   2.1 辐射场的电磁多极展开
•   2.2 基于分层结构的散射近场-远场变换理论
•   2.3 散射场的角谱分析
•   2.4 数值计算方法与仿真工具
•   2.5 本章小结
• 第3章 理想偶极子的近场特性
•   3.1 惠更斯偶极子
•   3.2 圆极化偶极子
•   3.3 本章小结
• 第4章 基于多层MDM天线的SPW单向激发
•   4.1 MDM纳米天线多极展开特性
•   4.2 SPW的激发与远场分析
•   4.3 散射场的角谱表示
•   4.4 SPW的辐射波束宽度改善
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于1/4 圆锥形天线的SPW单向激发
•   5.1 纳米天线的设计
•   5.2 纳米天线对SPW的方向控制特性
•   5.3 天线的多极展开特性
•   5.4 天线散射场的角谱分析
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 曾上杰

导师: 肖君军

关键词: 表面等离子体波,纳米天线,角谱表示,近远场变换,激发方向性

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O53;TN826

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002111

总页数: 66

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