基于Fano共振的表面等离子MDM波导差动传感特性研究

论文摘要

表面等离子体（surface plasmons,SPs）是一种电磁表面波,当沿金属表面传播时,在金属表面处拥有最大的场强,在垂直于金属界面方向上是一种指数衰减场,它即能够被电子激发同时也能够被光波激发。在介质与金属表面交界处,表面等离子体的光子态密度较高,这一特点大大增强了光与物质间的相互作用,从而提高了光的探测能力。表面等离子体独特的光学特性为光学传感器的发展开辟了一条新的道路,并且在改善光子器件性能方面已成为微纳结构研究的热点。本文所设计表面等离子体金属-电介质-金属（Metal-Dielectric-Metal,MDM）波导传感结构,融入Fano共振的特点实现了灵敏度的大幅提高,引入差动传感理念实现了折射率传感功能的拓展。论文的主要内容包括:首先,从表面等离子体的理论基础入手,学习SPs基本性质和理论研究方法。在此基础上,阐述了MDM波导的谐振腔机制和Fano共振原理,构造出了MDM波导齿形腔耦合圆盘腔的Fano共振结构,该结构由齿形腔产生的连续态与圆盘腔产生的离散态进行耦合产生Fano共振。利用耦合模理论和驻波理论分析了该结构的传输特性和折射率传感特性,通过理论与仿真进行对比分析了结构参数对Fano共振线型的影响。以上研究为MDM波导Fano共振传感结构的设计奠定了基础。其次,提出单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式结构,在近场作用下,利用单金属挡板形成较宽的连续态与圆盘腔形成的离散态,进行耦合产生双模式Fano共振。并利用耦合模理论对结构的传输特性进行分析,同时对结构参数进行优化,最后通过驻波理论对其传感特性进行分析。该结构的提出为多Fano共振结构的设计提供了新方法。最后,在单挡板耦合圆盘腔的基础上,引入级联结构,提出单挡板MDM波导耦合圆盘级联多Fano共振结构。由于级联结构独特的特性,使原有的模式发生分裂,分裂出的离散态与单挡板形成的较宽连续态进行耦合,形成更加尖锐的Fano共振峰,这在一定程度极大增加了传感结构的分辨率。同时通过对结构参数的优化,实现了灵敏度、优质因子的大幅提高。最后在原有折射率传感的基础上引用差动传感的方法对多Fano共振进行了折射率功能扩展。通过数据模拟对比,数据显示引用差动传感方法后传感性能指标明显更佳,显示了多Fano共振在差动传感方面的巨大应用潜力。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩帅涛

导师: 朱丹丹

关键词: 表面等离子体,波导,共振,差动传感,级联结构

来源: 燕山大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,自动化技术

单位: 燕山大学

基金: 国家自然科学基金(61201112,61475133),河北省自然科学基金(F2016203188,F2016203245),中国博士后基金项目(2018M630279),河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2018243)

分类号: TP212;O53

DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.000857

总页数: 66

文件大小: 1393K

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