Поверхностные плазмон-поляритоны в периодических наноструктурах

• Автор: Бабичева, Виктория Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Введение
Оглавление

Глава 1. Наноплазмоника: поверхностные плазмон-поляритоны, методы численных расчетов и приложения
1.1. Поверхностные плазмон-поляритоны на границе раздела металл-диэлектрик
1.2. Поверхностные плазмон-поляритоны в трехслойных системах
1.3. Численные методы моделирования электромагнитных полей в периодических и многослойных наноструктурах
1.4. Метод конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain, FDTD)
1.5. Приложения наноплазмоники
1.6. Результаты главы
Глава 2. Аномальное прохождение электромагнитной волны
через периодический массив щелей в металлической пленке
2.1. Возможные механизмы аномального прохождения
2.2. Анализ используемых методов
2.3. Одномодовое приближение
2.4. Численное моделирование
2.5. Корректность одномодового приближения
2.6. Роль поверхностных плазмон-поляритонов
2.7. Результаты главы
Глава 3. Аномальное прохождение электромагнитной волны через две решетки с субволновыми щелями
3.1. Одиночные периодические массивы субволновых щелей
3.2. Периодические массивы субволновых щелей без поперечного смещения
3.3. Периодические массивы субволновых щелей с поперечным смещением

3.4. Плазмонные моды в зазоре между двумя массивами щелей
3.5. Результаты главы
Глава 4. Аномальное прохождение электромагнитной волны через периодические массивы субволновых щелей, расположенные на тонких металлических пленках
4.1. Одиночные периодические массивы субволновых щелей
4.2. Периодические массивы субволновых щелей, расположенные на тонких сплошных металлических пленках
4.3. Периодические массивы субволновых щелей, расположенные на тонких металлических пленках со щелями
4.4. Сравнение эффективностей прохождения электромагнитной волны
4.5. Результаты главы
Глава 5. Электромагнитные волны в многослойных периодических наноструктурах
5.1. Собственные волны в бесконечной периодической структуре
5.2. Плазмонные волны (квазиэлектростатическое приближение)
5.3. Пространственная структура полей плазмонных волн
5.4. Точные решения для плазмон-поляритонов
5.5. Спектр ТЕМ-волны
5.6. Анализ распространения волн в ограниченных структурах
5.7. Результаты численного моделирования для ограниченных
структур
5.8. Плазмонные модуляторы для фотонных интегральных схем
5.9. Результаты главы
Заключение
Приложение. Список сокращений
Литература

Введение
Данная диссертация посвящена исследованию оптических свойств периодических и многослойных наноструктур, а именно, роли возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в данных структурах. Подробно изучено прохождение света через одиночные металлические плёнки с периодическими массивами субволновых щелей, а также коэффициенты пропускания более сложных структур, состоящих из нескольких плёнок.
Актуальность работы
На границе между средами с положительной и отрицательной диэлектрическими проницаемостями могут возбуждаться плазменные волны [1,2]. Поле данных волн сосредоточено вблизи границы раздела сред, а соответствующие им длины гораздо меньше длины волны света в вакууме той же частоты [3,4]. Высокая локализация полей позволяет эффективно управлять светом на наномасштабах [5-7]. В связи с этим для нанофотоники и наноплазмоники характерны следующие тенденции.
Интерес к исследованию структур, в которых возможно возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на металлических поверхностях, связан с многочисленными применениями. При этом значительную роль играют эффекты локального усиления полей. Для перфорированных тонких металлических плёнок с субволновыми периодическими отверстиями было обнаружено аномально большое прохождение света [8-11]. Благодаря периодическому расположению отверстий, на обеих поверхностях плёнки возбуждаются поверхностные плазмон-поляритоны и влияют на прохождение света через структуру [12,13]. В зависимости от упорядоченности отверстий они также могут, как значительно усиливать прохождение света, так и ослаблять его. Кроме того, специально спроектированные структуры могут приводить к крайне высокому коэффициенту поглощения [14]. Данные свойства дают широкие возможности для создания как пассивных элементов управления светом (например, светофильтров), так и активных составляющих схем, сенсоров и т.п.

электрического и магнитного полей внутри щелей, что справедливо в пределе, где длина волны света намного больше чем ширина щели.
При помощи формализма трансфер-матриц и квазианалитической модели, основанной на разложении по модам, в работе [71] проведены расчеты аномального прохождения. В результате указаны два возможных механизма перехода электромагнитной волны от верхней поверхности структуры к нижней: путем возбуждения связанных поверхностных плазмонных поляритонов на обеих поверхностях металлической пленки или путем возбуждения электромагнитной волной волноводных резонансов в щелях.
С помощью квазианалитической модели была построена фотонная зонная структура и произведено сравнение этих результатов с положением возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов для почти плоской металлической поверхности. Из приблизительного совпадения зонных структур сделан вывод о плазмонной природе происхождения пика близкого к периоду структуры. Также указано на близость положений пика к аномалии Рэлея. На зонной структуре для большей толщины пленки появляются плоские ветви, которые отождествлены с волноводными резонансами. Прохождение при длинах волн близких к периоду сильно зависит от угла падения, а для больших длин волн почти не зависит.
Проведен анализ зависимости пиков аномального прохождения от ширины щели а с помощью квазианалитического метода. При уменьшении а ширина резонансов уменьшается. В работе [71] указано, что для возникновения пиков прохождения, обусловленных связыванием верхнего и нижнего поверхностных плазмонных поляритонов, существует минимальное значение ширины щели а. Однако этот результат может оказаться недостоверным, поскольку использованная квазианалитическая модель некорректна для малых ширин щелей. Для волноводной моды при ширине щели я=0 положение дальнего резонанса стремится к 2/?, где /г-толщина пленки. Даже для очень узких щелей прохождение, связанное с волноводной модой, близко к 100%.
В работе [71] без приведения подтверждающих расчетов было проанализировано влияние подложки. Структура резонансного прохождения для пиков, связываемых с поверхностными плазменными поляритонами, чувствительна к наличию подложки. При несовпадении энергий поверхностных плазмонных поляритонов на разных поверхностях