文档介绍：浙江大学
硕士学位论文
关于人工表面等离子体及亚波长波导器件的研究
姓名:李小二
申请学位级别:硕士
专业:电磁场与微波技术
指导教师:沈林放;池灏
2013-03-08
摘要表面等离子体激元是沿着金属介质交赛面像波一样传输的电磁辐射,而人工表面等离子体激元且恢衷诮鹗糁芷诒砻娼峁如周期性挖孔或刻槽洗涞牡绱疟砻娌āS捎谌斯け砻娼峁沟牡刃У壤胱犹迤率受表面几何结构参数的控制,可以实现在较低频率下对进行亚波长尺寸上的操控,这种方法在太赫兹和微波波段已经得到实验验证。近年来,人工表面等离子体的概念已经被推广到光波段和通信波段。本文我们主要在通信波段研究了一种新型的介质波导及一种表面周期结构,我们发现在填满介质的矩形金属槽里刻上筒郏梢允迪衷谕ㄐ挪ǘ蔚难遣ǔぴ际本哂械退鸷牡优点。在金属表面周期刻上秃吞菪谓惶娴牟垡部梢允迪终庋哪康模⑶由于场的约束对梯形槽的底边长度非常敏感,通过逐步增加底边的方法,可以实现能量的集中。我们还设计了一种在太赫兹和微波波段具有优良性质的波导,我们对这种结构进行了理论分析,发现这种结构具有很强的约束、较少的损耗等优良性质。关键词:表面等离子体激元、人工表面等离子体激元、介质波导、周期波导、亚波长约束、损耗、能量集中
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致谢首先,我要衷心感谢沈林放教授对我的悉心指导。他对我的研究、生活等方面都给予了极大的帮助和支持。他深厚的理论功底帮我打下坚实的基础,他实事求是、严谨细致、追求卓越的工作作风深深的感染着我,值得我一生学习。在毕业之际,谨献上我最崇高的敬意和感激感谢池灏教授的热情帮助和支持。特此感谢其次,在本论文的研究中也得到了姜涛学长、高振师兄的细心指导和无私帮助,在此深表感谢。最后感谢我的父母和同学,是我的父母对我的支持和鼓励使我顺利地完成学业,是我的同学们在我的业余时间给我带来了快乐。祝愿他们身体健康、幸福快李小二于浙江大学玉泉乐。年
关于人工表面等离子体及亚波长波导器件的研究第一章绪论研究背景与意义表面等离子体激元,简称侵附鹗粲介质ǔJ强掌交界面上的一种电子和光子的混合激发态,是一种可以像波一样传播的表面波【。的场幅度在金属与介质交界面达到最大值,在金属与介质内部随着与交界面距离的增大呈指数衰减,在金属内衰减的更快。因此,的电磁场被约束在金属与介质交界面的附近范围内,可以实现很好的约束。对电磁场的约束是由金属表面电子与电磁波的强相互耦合作用引起的,因此,对电磁场的约束可以突破衍射极限,从而可以把电磁场约束在小于波长量级的范围内,即实现亚波长约束。这种亚波长约束使得电磁波的传播性质对金属表面的变化绫砻婺ニ稹⒋植诓黄降非常敏感,从而可以感知传播表面很微小的结构变化。因此,可以通过改变传播表面的结构参数,方便的控制的传播性质,达到设计亚波长量级的光子功能元器件的目的。然而,金属的等离子频率一般都在紫外波段,金属在太赫兹和微波波段的介电系数的绝对值非常大,趋肤深度相对于波长而言很小,电磁波难以渗透,金属近似表现为理想导体T谡庵智榭鱿拢尽管金属表面原则上是能够传播的,但它的场在介质内的约束非常差【≡诮橹手械挠行Х植挤段Э梢源锏绞俑霾ǔぶ啵饩痛蟠限制了在低频段的应用。对于的研究曾一度被研究人员们局限在光波段和更高的频率范围。但是近年来,研究人员开始试图把的优良特性推广到到太赫兹和微波波段,并取得了极大的成功,设计出了很多在太赫兹和微波波段特性优良的结构。年,英国帝国理工大学的教授提出了一种在金属表面刻周期分布的槽或孔的方法,引出了一个全新的人工表面等离子体的概念,即
俊K⑾郑ü诮鹗舯砻嫱诔叽缭谘遣ǔし段У闹芷诜植嫉孔洞的方法,可以非常显著的增强电磁波的渗透作用,实现电磁场的亚波长约束,更重要的是,此时结构表面层的等效等离子体频率仅与表面结构的几何参数有关,俊R虼耍ü刂票砻嬷芷诮峁沟募负尾问涂梢园裇的优良性能应用到任意频率范围。随后,热嗽谖⒉ǘ紊嫌檬笛橹な在前面的讨论中,我们都假设金属是完美电导体衔=鹗舻牡绲率为无穷大,金属内部不存在电磁场,金属对电磁波没有吸收损耗。实际上,金属在太赫兹和微波波段的电导率是也是有限大的,传播人工时由于电磁其强度会不断衰减,传播距离受到损耗的限制。研究表明,在强约束的情况下,人工通常只能传输几个周期单元的距离就被金属吸收殆尽了。因此,人工存在一个传输距离与约束相互制约的问题。与传统的相比,人工的一个巨大优越性在于它的性质完全取决于表面的结构参数。人工结构一计表面结构,可以在亚波长约束的同时实现较长的传播。人工这个新思路的引入,为技术在低频段的发展与应用,指出了人工这一理论的可行性】。图热说氖鞘笛榻峁梗灾芷赿月期排列方形铜管,铜管内孔边长为金属面以为间隔周期放置金属条,用以增强入射波的耦合。场会渗透到金属内从而导