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基于金属光栅的谐振腔光增强现象的研究 XXX XXX XXX XXX 摘 要 本文设计了一种基于金属光栅的谐振腔，光栅的单元结构为三角形，利用时域有限差分（FDTD）方法对此结构进行了仿真，研究了光栅的周期，三角形的角度和谐振腔长度等参数对光增强性能的影响，利用SPPs的激发理论和Fabry-Perot效应理论对这种增强现象进行了理论分析，结果表明这种新型结构的谐振腔对特定波长的光具有增强效应。 关键词：SPPs，金属光栅，Fabry-Perot效应，光增强 The study on the phenomenon of light enhancement in resonant cavity with a metal grating Chen hong-feng Cai xiang-bao Nian si-yan Fan yan-na Abstract We designed a resonant cavity with a metal grating in this paper. We found the phenomenon of light enhancement in resonant cavity. Using finite difference time domain (FDTD) method to simulate the structure,and analyzing the effect of the triangular grating period, the angle of the triangle and the cavity length to the phenomenon of light waves enhancement.We gived a theoretical explanation to the phenomenon of light enhancement with theory of the SPPs excitation and Fabry-Perot effect. Keyword: SPPs,Metal grating,Fabry-Perot effect,Light enhancement 1、引言 1998年，Ebbesen [1]等通过在金属膜引入周期孔阵列，发现即使当波长是孔直径十倍时，仍有很强的投射光强，并且透过率超过小孔面积的百分比，也就是说部分入射在小孔外金属膜上的光也透射过去了，这种现象被称为异常透射现象，由于透过光在某些波长得到增强，这一增强现象随后引起了人们广泛的关注。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是金属表面的一种由自由电子和光子相互作用而引起的一种电磁波模式，是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态[2]。它在垂直于分界面的两个方向上均呈指数衰减，而沿分界面传播的距离可以达到几十微米。界面的结构特点对SPPs的性质有很大的影响，所以可以通过构造金属表面结构对SPPs进行调控，满足各种应用的需求[2~4]。 基于SPPs的表面等离子体光波导(SPWs)被认为是纳米光子学中的一种重要器件[3]。它克服了传统光波导或光子晶体光波导中存在的衍射极限问题，可以满足光子器件微型化和光集成芯片高密度化的要求。在过去的几年里，这种光波导成为了人们的研究热点[3]。 本文设计了一种基于金属光栅的谐振腔，光栅的单元结构为三角形，利用时域有限差分（FDTD）方法对此结构进行了仿真，研究了光栅的周期，三角形的角度和谐振腔长度等参数对光增强性能的影响，利用SPPs的激发理论和Fabry-Perot效应理论对这种增强现象进行了理论分析，结果表明这种新型结构的谐振腔对特定波长的光具有增强效应。 2、计算模型 表面等离子体激元的在特定频率下的波失可以表示为 (1) 其中是真空介电常数，是金属介电常数，是SPPs波失，是入射光的角频率，c是光速。考虑到当入射光波为1550nm，做出了真空与银界面上的色散曲线，见图1。由图1看出SPPs的色散曲线在真空中的光线的色散曲线的右边，可以看出在同一频率上没有交点，也就是说它们之间不能直接耦合，SPPs必须通过波失补偿才可以被激发。SPPs的色散关系式完全描述SPPs的光特性，是进行研究SPPs的基本理论基础[1~4]。 图1 SPP色散关系 对于这种新型波导的电磁场分布计算与分析我们采用了时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）[5~6]。FDTD是求解任意电磁问题的一种通用数值方法，FDTD法直接将麦克斯韦方程组中时域场的旋度方程微分式进行差分化，得到场分量的有限差分方程，用具有相同参量的空间