亚波长金属复合周期结构中表面等离激元相位共振机理及应用研究

针对表面等离激元（SPPs）和局域表面等离激元（LSP）的相位共振问题，本项目采用包括时域有限差分法（FDTD）在内的数值模拟方法和严格耦合波近似与模态展开等解析方法研究复合周期亚波长金属结构光学性能，拟研究对称性破缺的复合原胞周期性亚波长金属结构的光学特性、相位共振机理及可能的应用。研究工作主要包括：（1）研究复合原胞对称性、孔的尺寸、填充介质等因素对表面等离激元、局域表面等离激元的相位共振波长、相位共振引起的禁带宽度，以及原胞的对称性与透射峰的简并性之间的依赖关系。（2）探索对称性破缺对光子能带的影响，并试图从表面等离激元色散关系变化解释相位共振时透射率急剧减小的原因。（3）探索复合原胞内各表面等离激元波、局域表面等离激元之间的相互作用及对异常透射效应的影响。研究工作为光与亚波长复合周期结构相互作用过程的深入理解提供了新的知识，对设计如滤波器等纳米光电器件具有借鉴意义。

本项目采用时域有限差分法（FDTD）及严格耦合波近似等方法，围绕着亚波长金属复合周期性结构中表面等离激元相位共振和相位调控机理、新型亚波长金属复合周期性结构中表面等离子体激元器件的理论设计、以及石墨烯耦合系统的等离子体效应与相关器件设计等科学问题展开了研究。针对双缝周期阵列复合金属光栅、多齿形阶梯状金属-介质-金属（MIM）微纳尺寸光波导、刻有周期性亚波长缝阵列、含亚波长垂直切口的微纳尺寸MIM光波导、每个原胞含三个完全相同的金属开口环结构等，系统的计算了这些结构在可见光到近红外光谱的透射谱，比较研究所得透射谱与复合原胞对称性、结构尺寸等因素演化之间的关系。探索了复合原胞周期结构对SPPs的相位影响；揭示局域SPPs与传播SPPs布拉赫波在复合原胞周期性金属纳米结构中的耦合行为，并分析这种耦合作用对光波透射谱的调控效应。探索了新型亚波长金属复合周期性结构中表面等离子体激元器件的理论设计，包括二维双齿形MIM滤波器、微纳光分束器、亚波长圆形和含类环分枝型MIM波导、光透射增强器等，相关设计为实现光子输运为基础的光子器件和全光回路的实现提供了支撑依据。分析金属光栅与石墨烯结合而带来的等离子体近场局域超透现象。研究了双层石墨烯耦合的对称及反对称等离子体波模式的差异，结合90o弯曲波导结构，数值分析了模式转换现象及机理。详细研究平行交错的两层及三层石墨烯耦合系统的结构参数和材料参数引起的新颖的开关效应。分析单个石墨烯条带所支持的等离子体模式特性，进一步证实了边模式等离子体波的强耦合特性，结合石墨烯电导率的门压可调性在单层石墨烯上设计了平面等离子体滤波器件。仅仅改变外加门压的位置实现了对透射谱的有效调控。这一研究更加充实了等离子波在中红外波段的应用。