微结构金属材料中的电磁波传播特性研究.doc

[摘要]本文介绍了入射光电磁波与金属表面自由电子振荡的耦合电磁模式，即“表面等离激元”。以表面等离激元在微结构的金属表面的传播行为为研究对象，基于有效折射率方法，对金属光波导进行模折射率等效，设计周期性排列的金属异质波导阵列，实现特定波段的滤波器件等。

[关键词]表面等离激元；金属波导；有效折射率；时域有限差分法 

[Abstract]The electromagnetic (EM) mode coupled between the external EM waves and the oscillations of free electrons in the metallic surface, i. e., the surface plasmon polaritons (SPPs), has been introduced. The investigation object is the propagation profile of the EM wave in the microstructured metallic surfaces. Based on the effective index method, the metallic waveguide can be approximated as an effectively homogeneous media with an equivalently modal refractive index. A periodic metallic waveguide array has been designed which can be used as optical filter and light emitting devices for certain wavelength regions, etc.

[Key words]Surface Plasmon polaritons; Metal waveguide; effective refraction index; finite-difference time-domain method

　　针对具有对称的SPPs模，薄膜中场呈现对称分布，在中心区，场最弱，SPPs可传播得更远，吸收小，损耗低的特点，SPPs带隙的出现决定于材料的折射率、周期等。金属表面在两个方向上具有周期结构，则可在平面内形成全带隙。在带隙内，SPP场的模式密度为零，即不存在SPPS模式。在带边处出现带平缓段，这时SP的模式密度非常大，对应在金属表面场的增强。这种模式可以被很大角度范围的入射光所激励。

　　其中亚波长结构的光传输控制目前大多采用金属表面的几何涨落来调制表面等离激元的传播特性，但是由于强散射对这种结构的波导传输的品质因素有影响，从而难以获得高的效率。近年来，金属平板波导阵列设计方案的提出为克服散射损耗提供了新的思路。

　　本文以金属微结构表面上的光传播特性为研究对象，运用转移矩阵方法和时域有限差分（FDTD）方法对其进行数值模拟。掌握对金属光波导有效折射率，设计金属异质波导阵列，实现特定波段的滤波器件。