金属光栅中连续谱束缚态的研究

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金属反射光栅结构中人们最为熟知的束缚态是处于非辐射区的人工表面等离激元(spoof SPP)。近些年来对于人工表面等离激元的研究已经非常充分,并且已经有许多这方面的应用。经过研究,我们在金属反射光栅结构中首次找到了处于辐射区的束缚态,也就是连续谱中的束缚态(BIC)。BIC是处于连续谱中非辐射的态。历史上,BIC的概念最先被冯诺依曼和威格纳在量子系统中提出来。近年来,随着微纳加工技术的发展,光子系统成为了实验观测和实际应用BIC的极具吸引力的平台。BIC的品质因子在理论上是无穷大的,由于这个特性所以它在激光器、谐振器等光学设备上具有很大的应用前景。本文主要研究的是在简单金属反射光栅结构中的BIC,并且简要的介绍了一维金属圆柱链中的BIC。为了实现金属反射光栅系统中的BIC,我们提出了两种类型的光栅结构来抑制辐射泄漏。第一种是简单宽槽光栅,其中可以容纳多个腔模式。由于对称不相容和主要来自TM0与TM1模式之间相互抵消的作用,导致在(38)点和非(38)点都能够产生BIC。第二种是在每个晶胞中有两个凹槽的二聚化光栅。两个凹槽中模式之间的相互作用可以抑制辐射,并且在(38)点观察到BIC。本文在理论计算时主要用到了模式展开法,通过该方法计算金属反射光栅的电磁场模式,并求解出结构的色散关系。通过将理论计算结果和软件模拟结果进行对比分析,我们发现金属反射光栅中的BIC主要是由于TM0和TM1模式之间的辐射相消产生的,而高阶的TM模式则会对BIC提供一些修正。本文也对金属反射光栅中BIC形成的原因进行了分析。这些研究成果让人们对金属反射光栅这一简单而重要的光学元件有了进一步的认识,也对BIC在不同系统的成因有了更深的理解,对于设计性能更好的激光器、传感器等光学元件有重要意义。
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