基于方形螺旋结构的人工表面等离子激元波导传输特性研究

作     者：曹品 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马春波

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：人工表面等离子激元 表面等离子激元 传输特性 波导 超薄方形螺旋金属结构 

摘      要：表面等离子激元是电磁波与导电材料内导电电子相互作用下发生的群体电荷振荡现象,由于其具有深亚波长模式的限制和强近场增强等特性,可以应用到成像、生物传感器、负折射材料等方面。然而,在更低的频率范围内,由于导电金属被视为理想导体,内部场量为零,此时入射波的能量不能在金属内部或者表面上传输,无法产生表面等离子激元。人工表面等离子激元的出现,能够有效解决上述壁垒,将其工作频段有效地延伸至微波和太赫兹领域,为此频段的功能器件和光学集成电路系统提供更多的应用价值。本文基于超薄方形螺旋金属结构,设计了不受角度弯折的影响,依旧可以传输人工表面等离子激元的链式波导结构,并研究波导结构的传输特性,发现该链式波导结构灵活性更高,占用面积更小,具有巨大的应用潜力和意义,在此基础上,设计了方形螺旋天线,增加了此领域的应用范围。主要研究内容如下:(1)设计了更小尺寸更低频段的两类方形螺旋金属结构,基于此结构进行人工表面等离子激元的传输特性研究。首先设计方形螺旋结构,其次对此结构的共振特性进行研究,最后通过改变结构单元以及介质基板的参数来观察两类结构谐振特性的变化。通过仿真研究发现,人工表面等离子激元可以在设计的两类结构上传输。(2)基于以上两类方形螺旋结构,设计分析了两个不同排布方式的结构单元上的耦合传输特性。基于两类方形螺旋结构,分别研究了相连在一起、断开分布时的近场耦合特性及传输频谱情况,并通过改变结构参数,研究结构耦合谐振变化情况。研究表明二聚体间的耦合效应对周围环境非常敏感,在探测方面具有一定的应用前景,同时表明此结构间的旋转角度发生变化时,人工表面等离子激元仍然能够进行传输。(3)基于两类方形螺旋结构,设计了不同规则排列方式时链式波导结构,并主要分析设计波导结构的传输特性。主要研究了平移、旋转和组合链式波导的传输频谱以及色散关系,发现不同弯折情况链式结构的近场模式分布图是连续的,表明人工表面等离子激元可以在相邻结构发生不同程度弯折的情况下也能够进行良好的传输。(4)基于方形双螺旋结构,设计了方形螺旋天线结构。主要对此天线进行驻波、增益和方向图的分析,发现人工表面等离子激元可以应用于方形双螺旋结构天线上,扩展了此结构的研究范畴,为微纳器件的发展前景提供了研究价值。