论文总字数：15586字

摘 要

表面等离激元（surface plasmon，SP）是金属表面的自由电子和电磁波相互作用而形成的一种电磁模，其新颖的光学特性获得了广泛关注。实际上，除了增强透射强度以外，偏振态是另一个重要的光学特性。此前研究人员就发现了由孔形状共振引起的，与局域表面等离激元相关的（LSP）强烈偏振转换，并设计了一个L型纳米孔阵列，在特定频率下，对于特定的入射偏振（θ₁=0°或90°），该结构可以实现45°的旋转^[15]。

本文在此基础上研究了微波段单层薄膜的偏振转换效应，具体内容及结果如下：

(1). 设计了一个L型的单层薄膜孔槽复合结构，将L型孔的一边打通，形成孔；另一边不打通，形成槽。利用CST模拟软件进行模拟实验，通过频域和时域两种方法进行计算，结果表明，此结构可以产生一个峰值接近90%的透射峰，且电磁波的偏振方向发生90度的旋转,还可以在介质层实现透射增强效应。

(2). 利用激光切割，对上述结构进行实际加工，制备的样品总共包含30*30=900的L型孔槽复合结构，并进行实验测量，实验出现一定的误差，但偏振转换效应已十分明显。

(3). 总结实验，分析找出出现实验误差的原因，展望对后面工作的开展。

关键词：偏振转换 耦合效应 等离激元

Experimental verification of polarization conversion of single layer thin films

Abstract

Surface plasmon polariton（surface plasmon，SP） is an electromagnetic wave model formed by the interaction of free electrons and electromagnetic waves on the metal surface. The novel optical properties of surface plasmon polaritons have attracted much attention.In fact, the polarization state is another important optical property besides enhancing the transmission intensity.Prior to this, the researchers have found a strong polarization transition associated with the local surface plasmon (LSP) caused by hole shape resonances,they have also designed a L type nanopore array.At a given frequency, the structure can rotate at 45 degrees for a given incident polarization^[15].

In this paper, the polarization conversion effect of single layer films in microwave region is studied. The main contents and results are as follows:

1. . A single film hole array similar to L is designed, and the hole of one side of the L hole is opened to form a hole. The other side is not opened to form a groove.We used CST simulation software to do the simulation experiment, and calculate through two methods in frequency domain and time domain. The results show that this structure can produce a peak near 90% transmission peak and can achieve transmission enhancement effect in the dielectric layer.

(2). We used laser for practical machining of the structure, the preparation of the sample contains a total of L type 30*30=900 array, and the experimental measurement, experiment appears some errors, but the polarization conversion effect is very obvious.

(3). Summing up the experiment, analyzing the causes of the experiment errors, and looking forward to the development of the following work.

Key Words: Polarization conversion; Coupling effect;Plasmons

目 录

摘要…………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………II

第一章 绪论………………………………………………………………………1

1.1 表面等离激元………………………………………………………………1

1.2 光的增强透射效应…………………………………………………………1

1.3 光的偏振转换效应…………………………………………………………2

1.4 表面等离激元耦合效应……………………………………………………2

1.5 本论文的研究内容和意义…………………………………………………3

1.5.1 研究内容……………………………………………………………3

1.5.2 研究意义和创新点…………………………………………………3

第二章 基于CST软件的模拟分析……………………………………………4

2.1 单层金属超构表面…………………………………………………………4

2.2 CST模拟过程………………………………………………………………5

2.3 模拟结果展示………………………………………………………………6

2.3.1 时域计算结果………………………………………………………6

2.3.2 频域计算结果………………………………………………………7

2.4 思考与探索…………………………………………………………………9

2.4.1 与L型孔的对比……………………………………………………9

2.4.2 结构参数的影响…………………………………………………10

2.5 本章小结…………………………………………………………………12

第三章 实验测量结果…………………………………………………………13

3.1样品加工展示………………………………………………………………13

3.2 实验测量过程………………………………………………………………17

3.3 实验结果展示………………………………………………………………18

3.4 实验误差分析………………………………………………………………19

3.4.1 样品误差……………………………………………………………19

3.4.2 实验误差……………………………………………………………21

3.5 实验改进……………………………………………………………………22

3.6 本章小结……………………………………………………………………23

第四章 总结与展望………………………………………………………………24

4.1 总结…………………………………………………………………………24

4.2 展望…………………………………………………………………………25

参考文献……………………………………………………………………………26

致谢…………………………………………………………………………………28

绪 论

1.1 表面等离激元

表面等离激元（Surface plasmons，SPs）是金属表面的自由电子和电磁波相互作用而形成的一种电磁模，它包括表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）和局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon, LSP)共振两种。SPP是电磁场与金属表面自由电子振荡的耦合模。它既非纯的光子模，也非纯的电荷密度波；SPP能够沿着金属表面传播，其传播常数和有效折射率大于介质中的数值，表现为慢波；此外，SPP的电磁场在界面的两侧按指数规律衰减，是一种消逝波；SPP的场在金属表面获得极大的增强。LSP同样也是电磁场与金属表面自由电子振荡产生的耦合模，并且这种振荡被局域在结构表面附近，无法传播。近几年来，对该领域的研究越来越受到人们的重视，与传统光子学器件相比，表面等离激元摆脱了衍射极限的限制，实现了在纳米或者微纳尺度上对光的操控。

1.2 光的增强透射效应

1998年，Ebbesen等人研究了光在具有周期性亚波长孔的金属薄膜上的传输，发现即使波长比孔的直径大很多，仍有很强的透射光谱，并且透过率超过小孔面积与薄膜面积之比，这便是光的增强透射效应（EOT）。EOT现象被发现后，有关金属微纳结构中光与表面等离子体激元相互作用的研究越来越受到人们的重视，这不仅是因为其中吸引人的基础物理，更是因为其在光子器件，传感器中的广泛潜在应用。大量研究已经表明了EOT现象正是由于入射光与金属表面SPP的耦合引起的。

事实上，研究人员发现透射增强效应的周期性亚波长孔阵列，通常归因于表面等离子体共振，并且会受小孔形状的显著影响。对于具有人造光子结构的亚波长标度的光的影响，存在两种成分：形状和周期性。一方面，亚波长结构的形状可以被使用，当形状显著地影响金属颗粒的响应时，形状也可以影响通过小孔的透射，这是因为这些形状和孔在很大程度上是互补的几何形状。另一方面，结构的周期性则可以被应用在光子和等离子体的分散关系中产生带隙，从而产生对光子和等离子体的巨大控制。透射增强效应归因于由周期性建立的表面等离子体激元的共振激发。

1.3 光的偏振转换效应

除了增强透射强度以外，偏振态也是一个非常重要的光学性质。大量研究已经发现了由孔形状共振引起的，与局域表面等离激元耦合相关的强烈偏振转换。然而，这些LSP模式大多是相对单一的，其中的增强传输总是限制在一个偏振态,缺乏变异性和可控性。从这一点上，它难以有效地改变偏振态和控制在这些系统中的旋光。

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