二维波导结构中类电磁诱导透明及其物理机制的研究

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表面等离子体激元(Surface Plasmons polaritons, SPPs)是金属中的自由电子和介质中的电磁场耦合振荡形成的沿金属表面传播的电磁波。由于它具有突破衍射极限和在纳米领域操控光波的能力,因此利用SPPs可以设计出新型的光学器件如光学开关、光学滤波器和高度集成光学电路中的光学器件等。这些器件在亚波长光学、光激发、数据存储、显微术以及生物光子学等领域都具有广泛的应用前景。本文结合耦合模理论(CMT)和时域有限差分法(FDTD),研究了金属-介质-金属(MIM)波导结构中表面等离子体共振产生的类电磁诱导透明现象的基本物理机理和调控机制。本文研究的主要内容包括以下三个方面:1.基于法布里-珀罗(FP)模式和FDTD模拟方法,研究了一个侧面耦合共振腔和一个MIM主波导结构的表面等离子体共振机制。结果表明结构的透射特性可以由共振腔的宽度和耦合距离调控。在现有的结构上加上一个相同的共振腔就可以产生类电磁诱导透明现象,结合前面的理论分析和耦合模理论详细地研究了类电磁诱导透明现象的形成过程。在两个去谐的侧面耦合共振腔中同样能够产生类电磁诱导透明现象,通过改变结构参数可以有目的地调控透明窗口。2.研究了两个去谐开口共振腔和一个MIM主波导组成结构的类电磁诱导透明现象。基于CMT和FDTD,详细地分析了间接耦合所引起的类电磁诱导现象的形成和演化机制,从中可以知道透明窗口的形成可以归因于共振腔的去谐长度,而透明窗口的演化归因于两个腔之间的耦合距离。在此结构中对于间接耦合模式,最终可算得最大的群折射率为100。此外,利用此处等离子体结构的特殊设置,定性地去研究了直接耦合对类电磁诱导透明现象的作用。3.基于上一章的研究结果,设计了特定的多腔侧面耦合结构来进一步研究直接耦合对等离子体透射特性的影响。通过在不同的侧面耦合结构中设置特定参数来保证间接耦合不变,从而定性地研究直接耦合的影响。FDTD模拟的结果表明,透射谷位置(共振波长)的移动是由于直接耦合的作用而导致的,并且随着直接耦合作用地增强,透射谷移动越明显。
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