摘 要

近十多年来，基于表面等离激元的研究取得重大进展，主要体现在显微镜分辨率、光电集成、数据存储，光学蚀刻等方面。本文探究了一种基于亚波长狭缝的等离激元透镜，通过改变狭缝宽度实现相位调制，从而实现等离激元聚焦。我们创新点在于将狭缝界面处出现多重反射、散射的区域近似等效成折射率为N的介质，形成等效介质-金属介质-等效介质的结构，并通过详细理论分析，深入探究狭缝宽度、狭缝空间位置、以及狭缝厚度之间的关系，最后计算透射幅度的辐角，找到入射光通过整个结构的相位差，再利用在设定焦点处等相位原理实现聚焦。为此，我们设计了几种金属纳米结构模型，并经过CST（2012）数值模拟分析得到较为稳定可靠的结果。

关键词：表面等离激元 透镜 亚波长聚焦

Plasmonic Lens based on Subwavelength Slit

Abstract

In the past decade, great progress has been made in the research of surface plasmons. Surface plasmons have been widely used in nano-photoelectric integration, optical imaging, biosensors, and data storage, and also gain great attention from domestic and foreign scholars. This paper explores a kind of plasmonic lens which based on subwavelength slits, and realizes plasmon focusing by changing the slit width to achieve phase modulation. Our innovation is that the area where multiple reflections and scatter occur at the slit interface is approximately equivalent to a medium with a refractive index of N, therefore the whole model forms an equivalent medium-metal medium-equivalent medium structure. Through theoretical analysis in detail, we have in-depth explored the relationship between slit width, slit space location, and slit thickness. Finally, using the transmission angle amplitude, we have found the phase difference of the incident light through the entire structure, and then used the equal phase principle to set the focus to achieve the focusing effect. Based on the above, we have designed several metal nanostructure models, and obtained relatively stable and reliable results through CST (2012) numerical simulation analysis.

Key Words: Surface plasmon polaritons; Subwavelength focusing; lens

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 表面等离激元简介 1

1.1.1表面等离激元的发展史 1

1.1.2 表面等离激元的定义 1

1.1.3 表面等离激元的应用 2

1.2等离激元透镜聚焦的研究进展 3

1.3 本文的主要研究内容 5

第二章 等离激元透镜近似模型 7

2.1等离激元透镜设计原理 7

2.2 等离激元透镜的结构理论分析 8

2.3 等离激元透镜结构设计 10

2.4 等离激元透镜的模拟及讨论 12

2.4.1 边界条件、激励源、探针等参数的设置 12

2.4.2 模拟结果及讨论 12

2.5 本章小结 14

第三章 近似模型的修正 15

3.1 模型修正的理论分析 15

3.2 修正等离激元透镜模型的参数分析 18

3.2.1 与薄膜厚度t之间的关系 18

3.2.2 与狭缝宽度之间的关系 19

3.3 狭缝宽度与空间位置的关系及结构设计 20

3.4 修正等离激元透镜的模拟及讨论 21

3.5 依赖于狭缝厚度的等离激元聚焦透镜 23

3.5.1等离激元聚焦透镜与狭缝厚度的关系 24

3.5.2 模拟结果及讨论 25

3.6 本章小结 25

总 结 27

参考文献 29

致 谢 31

引 言

1.1 表面等离激元简介

1.1.1表面等离激元的发展史

早在1902年，Wood就发现当横磁偏振（TM）的入射光照射到金属反射光栅时[1]，反射光谱会出现异常的吸收现象（后来被称为Wood异常），从而意识到光波和金属之间存在着某种相互作用，但由于理论和实验条件的限制，相关研究处于停滞状态，从而导致表面等离激元得不到重视。到1936年，Fano认为Wood发现的异常吸收现象正是由于表面电磁模式被激发[2]。1957年，Ritchie在研究高能电子通过金属薄片时，发现不仅在体等离子体频率处有能量损失峰，而且在更低频率处也存在能量损失峰，他认为这种现象与金属薄膜的界面的相互作用有关，这可以与之前可见光频域的衍射光栅的工作相互联系[3]。后来，Stem和Ferrell进一步指出，这种表面电磁模式的产生与电磁场和金属电介质中的电子的耦合有关，同时，他们首次给出了它的色散关系。这种表面电磁模式便是SPP[4]。

到1998年，Ebbesen等人发现，光通过金属薄膜上的二维周期化阵列时存在増强效应，通过改变阵列周期、孔的半径、孔的深度等参数，通光效率可以超过小孔面积的百分比，这种现象被称为光异常透射现象[5]，因此激发了人们对表面等离激元及其相关问题的研究兴趣，相应的理论和实验研究也不断深入。2003年，Ebbesen等人又发表了题为《Surface Plasmon Subwavelength Optics》的文章，标志着表面等离子体光学这一新兴学科的形[6]。随着人们对表面等离激元不断地深入探索，相关的研究也逐渐从理论研究转向应用性研究。

1.1.2 表面等离激元的定义

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