波状结构二维光子晶体近场亚波长成像的研究

研究了波状结构二维光子晶体(2DPC)在红外波段的负折射近场成像,对其等频面进行了分析,指出波状结构二维光子晶体无法实现负折射远场成像的原因在于缺少与入射介质等频面相匹配的光子晶体圆形等频面,所用的矩形等频面使波状膜层二维光子晶体不可避免地具有各向异性特征,进而将成像限制在近场范围内。采用时域有限差分(时域有限差分)方法模拟了不同厚度的波状结构二维光子晶体近场成像效果,当厚度为两倍栅格常量时,单光源的成像分辨力为0.28λ,达到亚波长分辨效果。分辨力随着光源逐渐远离近场范围而降低,而像点的位置基本不随光源距离和光子晶体厚度的变化而改变。双光源的成像模拟进一步验证了波状结构二维光子晶体的近场亚波长成像能力,分辨力达到0.35λ,但成像质量受光子晶体厚度变化的影响较大。     

亚波长金属波导的光传播和干涉特性研究

利用时域有限差分方法研究了亚波长金属波导TE波的传播特性和基于异常透射现象的干涉特性.对各种参量对驻波特性的影响及两列波导间的耦合特性进行了分析.研究发现,TE波在波导中传播时存在截止宽度,如果波导宽度小于截止宽度,TE波在波导中不能传播;如果波导宽度大于截止宽度,TE波的传播距离将随波导宽度变大而突然增加.当波导宽度达到或大于半波长时,TE波可以在波导中正常传播.金属波导的截止宽度与金属的吸收系数成正比.此外,由于光在亚波长金属波导透射时的异常透射现象,在亚波长金属波导中产生了TE波的干涉现象,能形成驻波.     

亚波长金属波导的光传播和干涉特性研究

利用时域有限差分方法研究了亚波长金属波导TE波的传播特性和基于异常透射现象的干涉特性.对各种参量对驻波特性的影响及两列波导间的耦合特性进行了分析.研究发现,TE波在波导中传播时存在截止宽度,如果波导宽度小于截止宽度,TE波在波导中不能传播;如果波导宽度大于截止宽度,TE波的传播距离将随波导宽度变大而突然增加.当波导宽度达到或大于半波长时,TE波可以在波导中正常传播.金属波导的截止宽度与金属的吸收系数成正比.此外,由于光在亚波长金属波导透射时的异常透射现象,在亚波长金属波导中产生了TE波的干涉现象,能形成驻波.     

二维正方晶格光子晶体平板的近场成像特性

光子晶体是由两种或两种以卜不同介电函数的材料周期性排列组成的一种人工晶体.由于介电甬数的周期性分布对入射光的调制作用,使得特定频率区域的人射光在光子晶体中传播时的群速度方向和相速度方向相反,因而使得光子晶体平板表现出负折射特性.系统研究了介质柱的形状对二维正方品格光子品体近场成像特性的影响.通过对分别由正方形、三角形、椭网形、长方形等形状介质柱组成的二维正方品格光子晶体平板近场成像特性的理论分析,发现当介质柱形状的对称性降低到一定程度后可以实现光子晶体近场成像的纵向平移.进一步通过对相应等频率曲线形状的分析,明确了光子晶体近场成像是由于自准直效应和负折射效应的共同作用形成的.     

一维金属-介质周期结构的自准直特性和亚波长成像

计算了一维金属-介质周期结构(1DMD)的色散曲线，利用传输矩阵法模拟了该结构对入射高斯光束的自准直作用，着重讨论了金属层吸收的影响；对该结构在半波长厚度时近场成像特性进行了分析，单光源的成像分辨率为λ/8，达到亚波长分辨效果；分辨率随着光源逐渐远离近场范围而降低. 双狭缝的成像模拟进一步验证了1DMD结构的近场亚波长成像能力，分辨率达到λ/3.     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

基于增益媒质的亚波长纳米阵列超传输特性研究

增益媒质因其优良的放大特性和广阔的应用前景吸引了国内外学者的广泛关注,然而,激发增益媒质补偿欧姆损耗需要较强的外部能量,极大地限制了增益媒质的发展前景。本文使用辅助位微分方程的时域有限差分方法研究了麦克斯韦方程与半经典的电子速率方程相耦合的自洽仿真过程,并基于四能级原子系统描述的增益媒质和异常光传输现象间的耦合机制,提出了一种新颖的含亚波长周期裂缝的增益/金属/增益纳米阵列结构。研究结果表明,本文提出的纳米结构可以使用较低外部能量实现完全补偿欧姆损耗的目的。该结果对深入了解纳米结构和增益媒质之间的相互作用有着重要的意义。     

影响近场光纤探针传输效率的若干因素

近场光学技术在高分辨率成像、光谱探测和纳米加工等领域有广泛应用,而光纤探针是其中一个关键部件.如何提高光纤探针的传输效率是近场光学技术应用中的一个重要问题.本文采用三维时域有限差分方法,计算了锥形有孔探针的传输效率,分析了锥角、针尖孔径、波长和金属层厚度等因素对光纤探针传输效率的影响,并比较了裸光纤探针和有金属涂层的光...     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

 基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

Antireflection subwavelength structures analyzed by using the finite difference time domain method

Antireflection subwavelength structures (ASSs) are analyzed by using the finite difference time domain (FDTD) method in the visible light spectrum. Low reflectance can be obtained by both the conical and pyramidal shapes over a broadband range. Comparing the reflectance of different structure shapes and aspect ratios by the FDTD method, it shows that the antireflection efficiencies of the pyramidal structures are better than that of the conical structures when the aspect ratio is up to 0.8. It is found that, for the conical structure surface, the average transmittance increases gradually with the aspect ratio and the average transmittance is about 99.6% with the aspect ratio of 2.0. However, for the pyramidal structure with the aspect ratio ranging from 1.0 to 2.0, the average transmittance is up to 99.7%.     

光子扫描隧道显微镜球形样品二维近场强度分析

采用时域有限差分方法计算全内反射和光子扫描隧道显微镜系统。光子扫描隧道显微镜的基本工作原理是隐失波的产生和探测，当入射光在两种介质的分界面上发生全内反射，并在界面处产生非辐射的电磁波——隐失波时，采取对两界面入射光进行分别设置的方法即“三波法”设置入射激励元。分别计算一个球和两个球形样品的近场分布，并计算散射小球为探针，一个球为样品的扫描图像。结果表明：采用二维时域有限差分方法计算能较直观地显示样品表面的近场分布。表明时域有限差分方法在光子扫描隧道显微镜理论研究中具有很大潜力。     

用时阈有限差分方法研究光纤微探针近场分布特性

采用三维时间域有限差分（FDTD）方法研究了扫描近场光学显微镜中光纤微探针的近场分布特性,研究结果表明,锥形裸光纤探针的近场光中,以从探针锥变区侧面泄露的光即传播场为主,当在探针的侧面镀上一层金属膜对于从侧面泄露的光具有较好屏蔽效果,因而比裸光纤探针具有更好的空间束缚能力,无论是裸光纤探针还是金属膜探针,入射偏振光从针尖出射手发生了退极化现象,近场分布中产生与入射光偏振方向垂直的其它两个电场分量,而且金属膜探针的退极化分量对近场分布的影响比裸探针显著得多,如果在近场成像中接收退极化分量而不是总场则可以提高近场成像的对比度,还详细地分析了微探针的近场分布特征与退极化之间的关系。     

Finite Difference Time Domain Calculations Combined with Analytical Methods for Study of Near-Field Optical Probe

The finite difference time domain method is combined with eigenmode analysis of the waveguide and the Helmholtz-Kirchhoff integral to study the field distribution and the throughput of the near-field optical probe. This includes a waveguide, a Si substrate with A1 coating, and a subwavelength aperture. It is found that the optics inside the probe and the optical properties of the probe depend strongly on the field distribution of the incident light.     

理想同心介质球纳米喷流特性

利用有限时域差分方法,对核壳结构进行了模拟研究,得到内核折射率以及内核半径对聚焦光斑纳米喷流特性的影响。研究表明：在内核半径不变的情况下,当内核相对折射率较低时,入射光能量主要集中在内核与外壳层交界区域,此时光波能量有很大一部分处于非聚焦的旁瓣中;当内核折射率超过外层,可以在核壳结构背光面形成双增强点;在内核相对折射率不变的情况下,通过改变内核半径实现了对内、外核聚焦点位置的主动控制。     

镀纳米结构薄膜光纤探针的光子隧道扫描显微镜成像数值模拟

利用时域有限差分法,对镀纳米结构薄膜光纤探针的成像特性进行了三维数值模拟。在考虑光纤和样品相互作用的基础上,采用等效入射波法设置入射波和等高扫描。从成像分辨率和灵敏度的角度比较了不同纳米颗粒与样品间距、纳米颗粒大小、排列方式以及排列密度对成像的影响。结果表明,镀纳米结构薄膜光纤探针的光子隧道显微镜无论在制备的可行性上,还是在分辨率和灵敏度上都有显著的改进。     

带纳米金属棒PSTM孔径光纤探针成像的数值模拟

用三维时域有限差分方法对带纳米金属棒孔径光纤探针成像进行了数值模拟。采用等高扫描从分辨率和灵敏度的角度分别讨论了纳米金属棒长度、扫描高度、孔径大小及镀膜厚度对成像的影响。数值模拟结果显示,带纳米金属棒镀膜孔径探针的性能主要受纳米棒的尺寸决定,较普通孔径探针在分辨率和灵敏度方面都有明显改进,并且稳定性更高。     

椭圆截面金纳米管近场增强特性的研究

本文基于时域有限差分方法(finite difference time domain, FDTD)研究了入射光波长、入射光偏振方向、纳米管几何形状、 管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管近场分布特征的影响. 研究发现, 入射光波长为纳米管等离激元共振波长时, 纳米管近场增强最大; 入射光偏振方向与椭圆长轴夹角的增加会导致管内的场强迅速增大; 椭圆管半短轴变大可以调节纳米管场强分布从两端高、中间低变化为均匀分布; 内核和包埋介质介电常数的增大均会使得纳米管内部及周围场强逐渐减弱.     

二维非正交坐标斜方格金属光子带隙结构

金属光子带隙结构在高能加速器、微波真空电子器件和太赫兹波源等方面具有重要的应用前景.基于实空间传输矩阵理论，详细研究了非正交坐标系下二维斜方格金属光子带隙结构，给出了计算横电模、横磁模完全带隙结构的一般公式，并分析了填充系数、任意斜角及金属柱横截面对带隙结构的影响.计算结果在退化为正方格情况下时，与其他方法的计算结果取得很好的一致. 关键词： 光子晶体 金属光子带隙 传输矩阵法 微波真空电子器件