多层微纳结构的超常光学特性研究

论文摘要

表面电磁波是一种在不同材料分界面附近传输的特殊电磁模式。不同种类的材料组合可以支持不同类型表面电磁波的传输,其中表面等离极化激元、Dyakonov表面波与Tamm表面波是三种常见的表面电磁波类型。利用厚度在纳米至微米量级的多层微纳结构可以对表面波耦合模进行调制,使超材料具有诸如负折射率、双曲色散关系等多种传统材料所不具备的超常光学特性,这些光学特性在亚波长成像、超透镜、光学隐身技术、光谱技术、光探测、光子集成回路等多个领域均有着重要应用价值。本文探讨了三层对称微纳结构下Dyakonov耦合模的调制,并基于传输矩阵法,对因表面等离激元耦合模而导致的光学非定域性条件下多层金属-电介质超材料的等频面类型、折射现象以及后向Tamm表面波的激发进行了探究,具体研究内容如下:三层微纳结构Dyakonov耦合模的调控研究。推导了光轴任意方向条件下单轴各向异性介质中电磁场的特征矢,给出了单轴各向异性-各向同性-单轴各向异性对称三层微纳结构引导的Dyakonov耦合模特征矩阵和色散方程。通过计算Dyakonov耦合模的色散关系和在各层倏逝波的衰减系数,给出了Dyakonov耦合模的截止条件,探讨了中间层厚度对Dyakonov耦合模传输常数、偏振态以及传输方向范围的调制。研究了不同传输方向Dyakonov耦合模的场分布。基于棱镜耦合结构,分析了Dyakonov耦合模的激发所导致的偏振转换现象。光学非定域条件下多层金属-电介质超材料等频面的调控研究。基于传输矩阵法和周期性边界条件,对多层微纳结构中传输的横磁偏振Bloch波色散方程进行推导。计算不同频率与结构参数条件下多层金属-电介质超材料在波矢空间所产生的类椭圆、I型和II型类双曲等频面。探究通过调整周期微元厚度实现有效介质理论预测之外的等频面类型,对各个类型等频面对应的微元厚度区间以及临界微元厚度的确立条件进行分析。此外还研究了不同金属损耗条件下等频面相对于无损情况出现的局部形变现象。计算了相应的场分布,并与有效介质理论得到的结果进行了对比,以阐明表面等离激元耦合模的激发与多层金属-电介质超材料光学非定域性之间的联系。横磁偏振光在多层金属-电介质超材料中的折射现象的研究。通过等频面,确定多层金属-电介质超材料中横磁偏振模的群速度方向。进而对横磁偏振光从均匀各向同性介质入射多层金属-电介质超材料所产生的正单折射、负单折射和双负折射现象进行研究。通过有限元法,对这些折射现象进行了数值模拟。另外从金属和电介质薄层中的能流密度分布出发,分别剖析了类双曲和类椭圆等频面导致的负折射现象的物理机制。基于多层金属-电介质超材料的后向Tamm表面波的研究。通过传输矩阵方法,本文推导了由多层金属-电介质超材料和均匀各向同性材料分界面引导的横磁偏振Tamm表面波色散方程。讨论了光学非定域性条件下微元厚度与金属/电介质薄层排列次序对表面波色散关系产生的影响,给出反常色散关系出现的条件。通过计算场分布和能流密度分布,探究了前/后向Tamm表面波与金属-电介质多层超材料中的表面等离激元耦合模之间的联系。最后,基于有限元法验证了Otto-Kretchmann结构下前向与后向Tamm表面波的激发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 表面电磁波
•     1.1.1 表面等离极化激元
•     1.1.2 Dyakonov表面波
•     1.1.3 Tamm表面波
•     1.1.4 复合类型表面波
•   1.2 多层微纳结构超材料
•     1.2.1 多层微纳结构超材料的类型
•     1.2.2 多层微纳结构超材料支持的表面电磁波
•   1.3 多层微纳结构的电磁理论
•     1.3.1 有效介质理论
•     1.3.2 传输矩阵法
•   1.4 研究的目的和意义
•   1.5 研究内容
• 第2章 三层微纳结构中Dyakonov耦合模的调控
•   2.1 引言
•   2.2 单轴各向异性三层微纳结构引导的表面电磁波理论
•     2.2.1 单轴各向异性介质的电磁场特征矢
•     2.2.2 单轴各向异性三层微纳结构的特征矩阵及色散方程
•   2.3 各向异性-各向同性-各向异性对称结构Dyakonov耦合模
•     2.3.1 Dyakonov耦合模传播常数和传输方向范围的调控
•     2.3.2 Dyakonov耦合模场分布及偏振态的调控
•     2.3.3 棱镜耦合结构下Dyakonov耦合模的激发及其反射谱
•   2.4 本章小结
• 第3章 光学非定域条件下多层金属-电介质超材料等频面的调控
•   3.1 引言
•   3.2 电磁波在多层微纳结构中的传播理论
•     3.2.1 多层微纳结构的传输矩阵
•     3.2.2 周期性多层微纳结构中Bloch波的色散方程
•   3.3 光学非定域条件下不同拓扑结构类型等频面的实现
•     3.3.1 无损耗条件下多层金属-电介质超材料的等频面
•     3.3.2 金属损耗条件下多层金属-电介质超材料的等频面
•     3.3.3 电磁场分布
•   3.4 本章小结
• 第4章 横磁偏振光在多层金属-电介质超材料中的折射现象研究
•   4.1 引言
•   4.2 多层金属-电介质超材料中不同类型等频面的折射现象
•     4.2.1 类椭圆等频面的单正折射现象
•     4.2.2 Ⅱ型类双曲等频面的单负折射现象
•     4.2.3 类椭圆和Ⅱ型类双曲等频面同时存在的双折射现象
•   4.3 能流密度分布
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于多层金属-电介质超材料的后向Tamm表面波研究
•   5.1 引言
•   5.2 MMDM引导的横磁偏振Tamm表面波的色散方程
•     5.2.1 基于传输矩阵法推导色散方程
•     5.2.2 有效介质理论与奇点频率
•   5.3 反常色散关系与场分布
•   5.4 MMDM引导的后向Tamm表面波的激发
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周致远

导师: 张学如

关键词: 多层结构超材料,表面波,表面等离极化激元,等频面

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O441.4;TB34

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000138

总页数: 123

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