论文总字数：8980字

摘 要

光振动只沿某一固定方向的光叫做偏振光。而光的偏振偏转就是一束偏振光经过一个检偏器之后与原来的偏振方向发生一定角度的偏转。但是偏转的光强比没经过偏转的光强想对来说减少了。我们研究的是纳米层面的光的偏振偏转。我的研究课题是在两层膜（其中一层金属膜一层玻璃膜）中的金属膜上有个L型小孔，我们通过CST软件研究近红外波段L型孔的透射系数和偏振偏转，研究参数对L型孔阵列的偏振偏转的影响，了解L型孔阵列的偏振偏转的物理机制。

关键词：偏振偏转 近红外波段 L型孔

ABSTRACT

The light in a fixed direction is called polarized light. And the polarization of light is a polarization of polarized light through an analyzer after the original polarization direction of a certain degree of deflection. But the deflection of the light intensity than did not deflect the light intensity would like to reduce the. We study the polarization deflection of the light at the nanometer level. My research topic is that there are L-shaped holes in the metal film in the 2-layer film (one layer of the metal film, one glass film). We study the transmission coefficient and polarization deflection of the L-shaped aperture in the near infrared band by CST software. The influence of the parameters on the polarization deflection of the L-shaped array is studied, and the physical mechanism of the polarization deflection of the L-shaped array is understood.

Key Words: Polarization deflection；Near infrared band；L-type

目录

摘要 I

ABSTRACT 1

第一章 绪论 2

1.1简述纳米级器材的偏振偏转及其研究概况 2

1.2．本论文的研究内容 3

第二章 CST软件的模型设计与使用 4

第三章L-形纳米孔偏振偏转器的透射谱及电流分布 13

3.1. L形纳米孔的透射谱 13

3.2、L- 形纳米孔阵列的电场分布和电流分布 16

第四章 结论 18

第一章 绪论

1.1简述纳米级器材的偏振偏转及其研究概况

纳米级的偏振偏转就是在纳米的数量级上所进行的光的偏振偏转，这是在微观层面上所进行的。我们以太赫兹波的偏振偏转为例，重点介绍太赫兹技术及其研究概况。太赫兹波是指频率在0.1-10THz（波长为30微米到30毫米）的电磁波，位于电磁波谱中的微波与红外光波之间. 随着太赫兹辐射源和探测技术的逐渐发展, 人们越来越关注太赫兹技术在通信、成像生物技术[1-3]、安全检查等领域的应用. 太赫兹功能器件(例如滤波器、偏振器、分束器、偏振转换器等)是太赫兹应用系统中必不可少的部分，传统的金属栅偏振器、石英波片 等太赫兹光学器件存在体积大、插入损耗高、功能单一、不可调谐以及不便于集成等缺点而人工电磁微结构材料(包括光子晶体、超材料、表面等离子体等) 可以通过结构设计使之实现自然材料所不具备的物理性, 为THz 波段偏振控制器件的设计提供了一个崭新的方向[4-8]。

光子晶体已被理论和实验证实是传输和控制太赫兹波的重要器件,同时还具有小型化和集成化的优点,我们以铁氧体磁光材料为例，它可以通过调节外加直流磁场或温度来改变其光学性质，对磁光子晶体施加外磁场可对其带隙结构进行有效调节，以实现各种功能[9-12]。许多对铁氧体材料在太赫兹波段的电磁性质及其应用的研究表明铁氧体在太赫兹波段既具有较小的传输损耗又具有良好的磁场可控性。

利用超表面器件能够与太赫兹波产生良好电磁响应的特性, 通过合理的结构设计可实现对太赫兹波振幅、传播方向和偏振态的调控的目的[13-15]. Grady提出了以金属线为周期单元的透射与反射式两种线偏振转换器, 其振幅透射比达到80% 以上; 并且通过改变金属线的结构参数可实现光束的异常折射, Cheng 等 提出了以同心金属开口环和圆盘为谐振单元的周期性结构, 当入射光线偏振方向与开口环开口方向呈45◦ 时, 反射光可在0.65—1.45 THz 频段实现线偏振态的旋转, 旋转角度为90◦[16-19]. 但是基于反射式的偏振转换器件存在偏振转换效率不稳定、器件损耗较大等缺点. Cong 等提出了由三层金属栅组成的超表面偏振旋转器, 通过太赫兹波在超表面和间隔层间法布里珀罗腔中的共振来实现透射波偏振态的转变, 工作带宽为0.8 THz, 损耗为3 dB. 然而, 太赫兹技术的发展对太赫兹功能器件的损耗提出了更高的要求. 实现低损耗、可调控的偏振控制器成为太赫兹功能器件研究的关键技术之一[19-23]。.

1.2．本论文的研究内容

本次课题L-型纳米孔偏振偏转器也是应用了纳米级光的偏振偏转，我们希望通过研究本次课题深刻的了解纳米级光的偏振片的工作原理。为了研究本次课题，本文设计了一个金属-玻璃薄膜的表面等离激元系统，在金属薄膜上挖了一个L形孔，使用CST软件进行模拟，希望通过研究近红外波段L型孔阵列的透射系数；研究他的偏振偏转现象，实现90度的偏振偏转；研究参数参数对L型孔阵列的偏振偏转的影响；研究L型孔阵列的偏振偏转现象的物理机制。

第二章 CST软件的模型设计与使用

1 设置适用单位： Solve\units [nm, THz (CST5.0中为GHZ), ps];

图2-1.单位设置

2 设置背景材料： Solve\Background materials (type: normal，其它不变)

图2-2.背景材料设置

3 设置材料种类： Materials\右键\add new materials\左键

1. 电介质：

Material name: glass (随意命名);

Type: normal;

Epsilon: 2.25（玻璃，如是其他材料可改成其他材料的相对介电常数）;

Mue: 1.0 （即：不用设）；

Conductivity:不设；

Dispersion: 不要设；

Color: 可选颜色；

图2-3.电介质选择

(b) 金属：

General Properties:

Material name: metal (随意命名);

Type: normal;

Epsilon: 1.0; Mue: 1.0 （即：不用设）；

Color: 可选

Conductivity:不设；

Dispersion：

Dispersion model: Drude;

Epsilon infinity: 9 (金)，5(银)；注：取5-9范围对结果影响不大。

Plasma frequency: 1.37e16 （注：此为金和银的Plasma frequency；其它的材料用别的数值）;

Collision frequency: 1.2e14（取0.9 e14~1.2e14皆可，通常用实验数值模拟）。

图2-4.金属选择

图2-5.金属参数设置

4 设置结构参数： Edit\parameters （CST2008中直接在左下角设置）

图2-6.结构参数

5 画元胞结构图：

图2-7元胞结构

图2-8 元胞结构

图2-9元胞结构

6 设置边界条件：Solve\ Boundary conditions\

X, Y方向选periodic, Z方向选open (即PML，perfect matching layer)

图2-10.边界条件设置

7 设置激励源： plane wave (右键，左键)

选polarization, wavevector, …

图2-11.激励源设置

8 设置探针： Probes (右键，左键)

图2-12.x轴方向探针

图2-13.y轴方向探针

9 设置频率范围：

Solve\frequency\ 200-500 (THz)

图2-14.频率设置

10 运行计算： Solve\Transient solver\ Accuracy (-30dB), start.

图2-15.运行计算

第三章L-形纳米孔偏振偏转器的透射谱及电流分布

3.1. L形纳米孔的透射谱

本文利用CST Microwave Studio软件来数值模拟、讨论L-形纳米孔阵列的偏振偏转效应，即入射的线性偏振光的偏振方向经过L-形纳米孔阵列后会发生90度的偏转。

图16给出了L-形纳米孔阵列的一个单胞的结构示意图。L-形纳米孔阵列上下两层，结构的上层为金属薄膜，下层为玻璃薄膜。上下两层结构的尺寸如下：上层金属膜厚度80nm，下层玻璃膜厚度为100nm。整个单胞在X和Y轴方向的周期都为600nm。显然，我们研究的偏振偏转器件是纳米尺度的，故称为L-形纳米孔阵列偏振偏转器件。

图3-1 L形纳米孔阵列一个单胞的结构示意图，图中标出了坐标方向。

下面我们用CST Microwave Studio软件，并利用第二章提到的参数设置和计算方法来数值模拟和计算基于L-形纳米孔阵列的透射系数以及透射率。在数值计算中，入射平面波的频率范围是200-500THZ，对应的波长范围为390-780nm，即可见光的波长范围。

计算中，下层玻璃基片的介电常数为，对应的折射率为n=1.5。上层的金属我们用的是贵金属金，其介电常数我们利用在光学领域最经常使用的Drude Model，即：，其中：，rad/s，Hz。

另外，入射偏振光的偏振方向沿Y轴方向。我们在两个方向设置了x轴方向和y轴方向的探针来检测平面波通过该基于光栅结构的纳米偏振片的透射系数。完成数值模拟计算后，我们还要将得到的数据【如图17,18所示】导入origin pro 8绘图软件转化成透射谱图像【如图19所示】

图3-2 L-形纳米孔阵列X轴方向电场强度的透射系数

图3-3 L-形纳米孔阵列Y轴方向电场强度的透射系数

图17和18给出了利用CST Microwave Studio软件计算的结构的反射系数。图中的横坐标代表频率，频率的范围是200-500THz ，对应的波长为600-1500nm；纵坐标为透射波的电场强度E_t，这里已假设E₀。我们把图17和 18的数据导入Orgin Pro8软件中，再利用透射率和透射系数的关系式T=换算成透射率即得到图19的结果。图19为包含了X轴和Y轴方向两个方向的透射率的透射谱图。图中的横坐标为波长（波长范围600-1500nm），纵坐标为透射率（透射率的范围显然为0-1，或0%-100%）。

图3-4 数值模拟的L形孔的反射谱。其中黑色为Tx的，红色为Ty方向的。

从图19中可以看出，对于偏振沿Y轴方向的入射光，通过L-形纳米孔阵列的透射光却同时包含偏振沿X轴和Y轴两个方向的偏振光。显然，通过L-形纳米孔阵列的入射Y偏振光，通过L-形纳米孔阵列后，其偏振可以发生90度的偏转（即出现偏振沿X轴方向的偏振光）。

从图19中可以看出，在整个数值模拟的波长范围内，偏振沿X方向和Y方向的透射光具有一些相同的特点，即：偏振沿X方向和Y方向的透射光都拥有若干的透射峰和透射谷。透射峰对应于透射率较强的透射光，而透射谷则对应着透射率较弱的透射光。

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