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摘 要

表面等离激元主要分为SPP和LSP，其中SPP指的是表面等离激元极化，LSP指的是局域表面等离激元，它们的产生都是因为金属表面的自由电子与入射光相互耦合然后形成了一种局限在金属表面的电磁波模式。而它们所具有的响应速度快和场增强效应等特点，让它们在很多领域有着极大的运用。比如在生物传感和太阳能方面，甚至在很多在CPU方面都有应用前景。随着技术发展与创新，人们不断尝试通过人工设计来改变光的传播，终于发现了在金属表面进行一些微设计能达到一个这样的效果。就此等离激元学进入了学者们的视线。本文也是在这样的一个背景下展开的，同样的通过人工计算然后模拟设计，利用共振结构调控相位、振幅等，从而操控波束的波前传播行为，实现SPP折射等作用。考虑到色散因素，波导损耗，以及兼容性等问题，我们引入介质杂化波导体系。利用共振微纳结构阵列的调控能力，通过对相位、振幅等进行调制，实现了基于杂化波导体系的对于不同偏振模式的波前控制行为，为构建模分复用、丰富器件应用提供了可能。

关键词：表面等离激元 表面等离激元波导 超材料 色散模式

Abstract

The coupling between the oscillation of free electrons in the metal surface and the in cident light leads to electromagnetic modes that are tightly confined to the metal surface, including propagated surface plasmon polariton (SPP) and localized surface plasmon(LSP). Their excellent features with ultra-fast response speed, subwavelength localizing and field enhancement make them of great importance in all-optical circuit, data storage, communication, imaging, bio-sensing, solar cell and other applications. With the continuous improvement of micro-fabrication technology in recent years, through the designing of metal surface structure, SPP and LSP can be controlled effectively, which greatly enhances the manipulation of light. Thus, the ‘plasmonics’ has become one of the most popular research fields. The work in this paper is just based on the background of plasmonics. By micro-structure designing on the metal surface, the resonance structure is used to control the phase and amplitude to achieve a refraction effect of SPP. Taking the account of the dispersion factors, waveguide losses, and compatibility issues, we studied the beam steering problems of dielectric hybrid waveguide systems. Using the modulation and control capability of the resonant micro/nano-structure array, the control of wavefront of different polarization modes based on the hybrid waveguide system is achieved by modulating the phase and amplitude, which provides a possibility for building modular multiplexing and abundant device applications.

Key words: surface plasmon polariton; DLSPPW; metamaterial; dispersion mode

目 录

摘要…………………………………………………………………………………………I

Abstract………………………………………………………………………………II

第一章 绪论………………………………………………………………………………1

1.1 引言…………………………………………………………………………………1

1.2 表面等离激元的定义及分类………………………………………………………1

1.3 超材料………………………………………………………………………………2

1.3.1 波前相位调制与超材料………………………………………………………2

1.3.2 超材料设计……………………………………………………………………3

1.4 本课题的研究目的与内容…………………………………………………………5

第二章 简单金属表面波前调控………………………………………………………6

2.1 介质平板波导 ………………………………………………………………………6

2.2 表面等离激元波导的分类…………………………………………………………6

2.3 介质杂化波导………………………………………………………………………6

2.3.1 介质杂化波导背景……………………………………………………………7

2.3.2 色散分析………………………………………………………………………9

第三章 介质杂化体系…………………………………………………………………13

3.1 银空气模型的折射…………………………………………………………………13

3.1.1 模型分析相位与孔槽关系……………………………………………………14

3.1.2 周期排列的折射现象…………………………………………………………14

3.2 银二氧化硅模型的折射及聚焦理论分析…………………………………………15

3.2.1 银二氧化硅模型的折射………………………………………………………16

3.2.2 银二氧化硅模型的聚焦理论分析……………………………………………16

第四章 总结与展望……………………………………………………………………18

4.1 总结…………………………………………………………………………………18

4.2 展望与不足…………………………………………………………………………18

参考文献…………………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………………………23

第一章 绪论

1.1 引言

金属表面等离激元有很多优点能在很多方面应用，如数据传递、太阳能、生物传感等方面。随着微尺度加工技术的不断发展进步，人们不断尝试通过人工设计来改变光的传播，终于发现了在金属表面进行一些微设计能达到一个这样的效果。就此等离激元学进入了学者们的视线。本文也是在这样的一个研究背景下展开探索的，通过对金属表面的设计在电场强度、散射程度以及聚焦效果等方面做了实验和理论研究。

1.2 表面等离激元的定义及分类

表面等离激元激发（SPP）就是一种局限在金属表面的电磁波[1]，由于金属表面自由电子与入射光的相互耦合形成，衰减沿着界面呈指数形式，且波矢大于真空波矢k₀。这种独特的性质使得它需要在波导内有一个合适的匹配条件才能够激发出来。

图1.1 表面等离激元示意图

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