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近年来,表面等离子体(Surface Plasmons)因为可以突破光的衍射极限实现亚波长光学器件,从而引起众多科学家的关注。通过设计金属表面结构可以实现人工表面等离子体,在远红外、太赫兹(THz)和微波段都有广阔的应用前景。本论文研究了分析人工表面等离子体结构的有效方法,在此基础上研究了人工表面等离子体的多种应用。提出了多种基于三维金属光栅结构的人工表面等离子体分波器结构和宽带慢波系统。主要研究内容和创新点概括如下:
1)研究并扩展了直接谱域时域有限差分(DSFDTD)方法,可高效计算任意角度入射的周期结构的散射问题:应用DSFDTD方法分析了金属光栅结构,以帮助设计各种分波器结构和宽带慢波系统:将开发的FDTD方法集成和封装,实现了功能完整的FDTD软件,该软件具备较强的网格剖分功能、FDTD并行计算功能和后处理功能。
2)提出了一种用金属线来激励三维金属光栅结构人工表面等离子体的方法。研究并加工了三维双向和多方向人工表面等离子体分波器,详细分析了这两种分波器的设计原理,用金属线作为激励,实验验证了这两种分波器的有效性,并将其扩展到THz波段进行了仿真验证。
3)设计并实现了一种弯曲的双向人工表面等离子体分波器,该分波器由两个三维梯形槽金属光栅构成。详细分析了刻有不同形状凹槽的三维金属光栅上的电场分布和传播规律,分别设计和加工了平直的和弯曲的基于三维梯形槽金属光栅的分波器,并用金属线激励进行仿真和实验验证,证明了其有效性和可行性。
4)提出并加工了一种基于三维渐变会属光栅结构的宽带慢波系统,并用金属线作为激励进行了实验验证。同时,通过仿真实验验证了该设计能够有效扩展到THz波段。提出并加工了一种基于三维金属/介质/金属(MIM)结构的宽带慢波系统,从理论上研究了金属光栅间缝隙宽度对MIM结构慢波系统的影响,并用金属线作为激励进行了实验验证。
5)分别设计了平直和弯曲的基于三维渐变梯形槽金属光栅的宽带慢波系统,并用金属线激励进行仿真和实验验证,证明了其有效性。同时,通过仿真实验验证了THZ波段弯曲的宽带慢波系统的可行性。