表面等离子体激元光栅耦合结构理论研究

论文总字数：27543字

摘 要

表面等离子体激元对入射波长具有极高的灵敏度，将其应用于彩色全息成像时，这种极高的颜色分辨率能大大避免色彩串扰问题。但是现有技术依然不能很好地解决色彩融合较差、亮度不均等问题。

本文从表面等离子体激元的基本理论出发，调研与总结了不同耦合方式，特别是光栅耦合方式，对表面等离子体激元激发效果的影响。另外，本文介绍了研究表面等离子体激元常用的数值分析方法，以及将其运用于白光全息术的实现过程。

文中采用有限元分析方法，以角度与波长选择性为主要评价标准，根据现有表面等离子体激元白光全息术，分析了棱镜耦合方式中各膜层厚度对激发效果的影响。在此基础上，对不同的光栅面型进行了仿真，并详细讨论了运用光栅耦合方式的可能性。具体面形包括矩形光栅和正弦形光栅，其中，矩形光栅又包括二元银光栅和镀银膜的二氧化硅光栅。讨论参数包括光栅周期、银层厚度等，另外，对于矩形光栅还包括填充因子和槽脊深度，对于正弦形光栅还有起伏度等参数。最后，根据仿真结果，给出了各项结构参数对角度与波长选择性的影响趋势，并对比分析了不同光栅面形结构的优劣。

本文对表面等离子体激元光栅耦合激发方式的研究，为后续将其运用于全息成像的研究提供了指导，为改善彩色全息成像质量提供了优化方向。

关键词：表面等离子体激元 全息成像 光栅结构

Theoretical Studies on the Grating-Coupled

Surface Plasmon Polaritons

Abstract

Surface Plasmon Polaritons (SPPs) have been applied to color holographic imaging to avoid color crosstalk because of its high sensitivity to incident wavelength. However, problems such as bad color fusion and uneven brightness cannot be solved by the existing technology.

In this paper, we firstly summarized the primary theories of surface plasmon and focused on two main coupled modes, especially on the grating coupled mode, to excite SPPs. Next, we introduced the widely-used numerical analysis methods and investigated the experiment process of the white light SPP holography technology.

Then, based on the existing white light SPP holography technology, we analyzed the effect of the film thickness on the angular and wavelength selectivity for prism-coupled SPP using the Finite Element Method (FEM). Also, we researched on the grating-coupled SPP and discussed two widely-used grating structures, rectangular and sinusoidal grating in details. Specifically, rectangular grating included binary silver grating and silver film on silica grating. The discussion parameters included the grating period, the thickness of the silver layer, the groove depth and the roughness of the sinusoidal grating. Finally, we compared different gratings and obtained an optimal structure with a good angular and wavelength selectivity.

The studies on the grating-coupled SPPs could help the following researches on the full color holographic imaging and improve the image quality.

Key words: Surface Plasmon Polaritons (SPPs) holography grating structure

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 表面等离子体激元的研究和发展 1

1.3表面等离子体激元全息术的研究与特点 2

1.4本论文的主要研究内容和章节安排 3

第二章 表面等离子体激元基本理论和数值分析方法 4

2.1 引言 4

2.2 金属色散模型 4

2.3 表面等离子体激元的产生原理 6

2.4表面等离子体的激发方式 9

2.4.1棱镜耦合 10

2.4.2光栅耦合 11

2.4.3本节小结 12

2.5 激发禁带 12

2.6 数值分析方法 14

2.7 本章小结 15

第三章 参数对表面等离子体激元全息术的影响 16

3.1引言 16

3.2全息成像的基本过程 16

3.2.1全息图的记录 16

3.2.2全息图的重现 17

3.3 结构参数对颜色分离性的影响 17

3.3.1 二氧化硅厚度对角度选择性的影响 17

3.3.2 金属薄膜厚度对角度选择性的影响 18

3.3.3 入射光波长对表面等离子体激发效率的影响 19

3.4本章小结 20

第四章 光栅结构对表面等离子体激发效率的影响 21

4.1引言 21

4.2二元银矩形光栅 21

4.2.1入射角与反射率的关系 22

4.2.2光波长与入射角的关系 23

4.2.3填充因子对反射率的影响 25

4.2.4槽脊深度对反射率的影响 26

4.2.5银层厚度对反射率的影响 27

4.3 镀银膜的二氧化硅矩形光栅 28

4.3.1入射角度与反射率关系 30

4.3.2光波长与入射角的关系 30

4.3.3填充因子对反射率的影响 31

4.3.4槽脊深度对反射率的影响 32

4.3.5银层厚度对反射率的影响 33

4.4 共轴正弦形光栅 34

4.4.1入射角与反射率的关系 36

4.4.2周期对反射率的影响 36

4.4.3起伏度大小对反射率的影响 37

4.4.4银层厚度对反射率的影响 38

4.5本章小结 39

第五章 总结与展望 41

5.1总结 41

5.2展望 41

致 谢 42

参考文献 43

第一章 绪 论

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