生非线性结构研究了超快事件响应全光开关现象。纳米光子学发展就是要实现光子器件与电子器件复合，或者利用光子学器件取代传统电子学器件。全光电路相对于传统电子学有几个优势即小尺寸高速高重复率。而在全光电路中个重要器件是全光开关，维金属电介质第章绪论光子晶体结构可以满足这样要求。利用个小泵浦探测得到个强透射，关于这方面研究很多小组已开展了工作。光学中心小组,研究了维光子晶体增强非线性光学响应问题。他们发现了非线性透射响应强烈增强，理论和实验符合得很好。图由泵浦光绿控制折射率与出射光红阶跃存在光栅调制金属电介质结构光学特性研究条形光栅调制金属电介质多层结构光学性质对于平板结构光学性质更多是由结构及材料所控制，而表面等离子体激元对结构光学性质影响很少涉及，于是人们想到将平板金属层加工成光栅结构，这种光栅结构可引入表面等离子体目录目录摘要第章绪论课题背景及研究目和意义平板多层金属电介质结构光学特性存在光栅调制金属电介质结构光学特性研究条形光栅调制金属电介质多层结构光学性质正弦光栅调制金属电介质多层结构光学性质本文主要研究内容第章电介质金属空气结构光反射特性引言电介质金属多层结构电磁场计算原理坐标变换法原理多层结构坐标变换法单周期电介质金属结构反射谱及场分布光栅常数对反射谱及场分布影响光栅深度对反射谱及场分布影响入射角度对谱影响本章小结第章电介质金属电介质结构中模式激发与耦合特性引言电介质金属电介质结构反射特性电介质金属电介质结构反射谱及场强电介质金属电介质结构中表面等离子体激元模式双周期光栅结构反射谱及场分布双周期光栅结构反射谱及场分布双周期光栅表面等离子体激元模式激发条件双周期光栅结构色散曲线目录反射谱中反交叉现象模式共存与模式耦合本章小结第章电介质金属电介质结构光学双稳及开关特性引言基于对称金属电介质结构全光开关双周期光栅结构双稳现象本章小结结论参考文献哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明致谢第章绪论第章绪论课题背景及研究目和意义表面等离子体光子学目标是实现对光纳米尺度操控。这种操控实现离不开微纳结构设计，各种各样光波导和小型化结构已被设计。这些结构可与半导体电子学器件相媲美。光子晶体是种人工介电材料，为对光控制提供了种新方式，但光子晶体仍为波长量级仍然无法实现亚波长控光。人类对光控制研究从未停止过，由于单纯块状金属强吸收使其并不能作为导光材料，于是人们将金属与电介质组成复合结构，从此个蓬勃发展研究领域诞生即表面等离子体光子学。金属与介质界面处表面等离子体激元激发，使人们发现可以设计不同复合结构来实现对光亚波长操控。表面等离子体激元是光波与金属表面自由电子之间相互作用产生电磁模，且沿界面作振荡式运动。这种特性可应用于亚波长尺度光子元件与回路。含金属微纳结构光学性质引起了广泛研究兴趣。关于平板多层结构研究已经很广泛了，得到了很多独特性质如超快时间响应低双稳域值等。随着研究深入人们想到将光栅引入到这种复合结构中，光栅引入产生个主要效应是产生高阶衍射，其可以作为界面处表面等离子体与入射平面波之间能量转移个通道，因此维金属电介质多层光栅结构光学性质研究吸引了更多人注意。光栅结构引入导致表面等离子体交叉耦合效应出现，势必会导致结构光学性质改变，这种结构光学性质深入研究将对亚波长波导全光开关以及由激光发射器件等领域具有重要实际意义。平板多层金属电介质结构光学特性众所周知，由于强烈吸收块状金属并不透光。但当在维光子晶体中结构光学性质发生了很大变化。在确定谱范围内即使金属层总厚度超过趋肤深度仍可以实现大透射，透射中心波长和透射窗可以通过改变介质厚度与晶格常数进行调节,。这种结构可以被应用在护目镜等需要屏蔽紫外线以及红外线等地方。第章绪论关于维金属电介质平板多层结构光学性质已经引起广泛研究兴趣，特别是结构非线性光学性质。金属具有快光学响应与大非线性，特别是贵金属三阶极化率比熔融石英大倍，驰豫时间在亚皮秒范围，由于不透光性质人们并没有将金属作为种非线性材料。当金属与电介质组成复合结构时，可以得到大非线性系数和快时间响应，维金属电介质平板结构光学性质研究得到了很多有趣非线性现象。首先人们研究了在这种多层金属电介质平板结构中双稳现象,。中国科大明海小组利用数值模拟方法研究了维金属电介质非线性多层结构光学双稳增强现象，由于由于层非常大非线性折射率和在结构中存在高度局域化体等离子体激元模式导致光学双稳强度域值低于非共振金属电介质结构域值。在研究中，人们发现在这种多层结构中不仅存在双稳，也存在多稳现象。同时，由于体等离子模式产生，阈值强度也会减小，在阶模式处，阈值可以达到大小，远远低于通常金属电介质光子晶体结构中带隙边缘局域场增强现象所造成双稳阈值。图平板多层双稳和多稳现象同时，金属电介质复合光子晶体结构中也有全光开关现象通过特定个参数，整个平板结构有效介电常数可以在类金属负介电常数和类电介质正介电常数之间，通过泵浦光进行快速转换。于是乎透射光呈现种阶跃型变化，见图。同时，转换时间在量级。德国个小组研究了维光子晶体超快时间分辨光谱，以及基于金属热电子其产生非线性结构研究了超快事件响应全光开关现象。纳米光子学发展就是要实现光子器件与电子器件复合，或者利用光子学器件取代传统电子学器件。全光电路相对于传统电子学有几个优势即小尺寸高速高重复率。而在全光电路中个重要器件是全光开关，维金属电介质第章绪论光子晶体结构可以满足这样要求。利用个小泵浦探测得到个强透射，关于这方面研究很多小组已开展了工作。光学中心小组,研究了维光子晶体增强非线性光学响应问题。他们发现了非线性透射响应强烈增强，理论和实验符合得很好。图由泵浦光绿控制折射率与出射光红阶跃存在光栅调制金属电介质结构光学特性研究条形光栅调制金属电介质多层结构光学性质对于平板结构光学性质更多是由结构及材料所控制，而表面等离子体激元对结构光学性质影响很少涉及，于是人们想到将平板金属层加工成光栅结构，这种光栅结构可引入表面等离子体,čć‐参考文献‐,攻读硕士期间发表论文及其他成果攻读硕士期间发表论文及其他成果致谢哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明学位论文原创性声明本人郑重声明此处所提交学位论文金属电介质多层光栅结构中模式耦合与开关特性研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读学位期间独立进行研究工作所取得成果，且学位论文中除已标注引用文献部分外不包含他人完成或已发表研究成果。对本学位论文研究工作做出重要贡献个人和集体，均已在文中以明确方式注明。学位论文使用权限学位论文是研究生在哈尔滨工业大学攻读学位期间完成成果，知识产权归属哈尔滨工业大学。学位论文使用权限如下学校可以采用影印缩印或其他复制手段保存研究生上交学位论文，并向国家图书馆报送学位论文学校可以将学位论文部分或全部内容编入有关数据库进行检索和提供相应阅览服务研究生毕业后发表与此学位论文研究成果相关学术论文和其他成果时，应征得导师同意，且第署名单位为哈尔滨工业大学。保密论文在保密期内遵守有关保密规定，解密后适用于此使用权限规定。本人知悉学位论文使用权限，并将遵守有关规定。致谢致谢衷心感谢导师姜向前老师对我精心指导。从毕业设计伊始直至结束，他付出了无数辛勤汗水，他严谨治学态度，渊博学识，敏锐洞察力和忘我工作精神将使我终生受益。谨在此向导师表达我最诚挚感谢！感谢元海明师兄。他帮助对我来说必不可少。向他学习，我获益匪浅。感谢所有同学给予我热情帮助！硕士学位论文金属电介质多层光栅结构中模式耦合与开关特性研究王也哈尔滨工业大学年月国内图书分类号学校代码国际图书分类号密级公开理学硕士学位论文金属电介质多层光栅结构中模式耦合与开关特性研究硕士研究生王也导师姜向前申请学位理学硕士学科光学所在单位理学院答辩日期年月,摘要摘要金属微纳结构中等离激元激发耦合是纳米光子学个重要研究领域，通过对模式耦合调控，可以实现对结构光学性质控制。本论文将对存在光栅调制金属电介质结构中模式耦合及结构控光特性展开研究。首先，针对电介质金属空气非对称结构，研究了光栅调制周期及入射角度对结构共振特性影响，利用数值方法计算了结构反射谱及场分布。引入对称性，研究了入射角度对电介质金属电介质对称结构共振特性影响。在此基础上，增加结构单元，研究双周期电介质金属电介质多层结构中模式激发与耦合特性。并利用耦合谐振子模型解释了模式与腔模耦合效应。在金属电介质结构中引入非线性材料，计算结构双稳与开关特性。为了降低开关阈值，选择种高三阶非线性系数金属与电介质复合物作为非线性材料。引入泵浦光，通过控制泵浦光开关可以控制电介质层折射率，从而实现在共振波长处反射透射开关。首先讨论单周期金属电介质结构全光开关特性，分别计算了垂直入射与斜入射情况下结构开关特性。为了得到多波长开关控制，增加结构单元数，我们计算了双周期金属电介质多层结构开关特性，在紫外与可见光波段实现了多波长全光开关。关键词金属电介质复合结构光栅调制模式耦合全光开关目录目录摘要第章绪论课题背景及研究目和意义平板多层金属电介质结构光学特性存在光栅调制金属电介质结构光学特性研究条形光栅调制金属电介质多层结构光学性质正弦光栅调制金属电介质多层结构光学性质本文主要研究内容第章电介质金属空气结构光反射特性引言电介质金属多层结构电磁场计算原理坐标变换法原理多层结构坐标变换法单周期电介质金属结构反射谱及场分布光栅常数对反射谱及场分布影响光栅深度对反射谱及场分布影响入射角度对谱影响本章小结第章电介质金属电介质结构中模式激发与耦合特性引言电介质金属电介质结构反射特性电介质金属电介质结构反射谱及场强电介质金属电介质结构中表面等离子体激元模式双周期光栅结构反射谱及场分布双周期光栅结构反射谱及场分布双周期光栅表面等离子体激元模式激发条件双周期光栅结构色散曲线目录反射谱中反交叉现象模式共存与模式耦合本章小结第章电介质金属电介质结构光学双稳及开关特性引言基于对称金属电介质结构全光开关双周期光栅结构双稳现象本章小结结论参考文献哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明致谢第章绪论第章绪论课题背景及研究目和意义表面等离子体光子学目标是实现对光纳米尺度操控。这种操控实现离不开微纳结构设计，各种各样光波导和小型化结构已被设计。这些结构可与半导体电子学器件相媲美。光子晶体是种人工介电材料，为对光控制提供了种新方式，但光子晶体仍为波长量级仍然无法实现亚波长控光。人类对光控制研究从未停止过，由于单纯块状金属强吸收使其并不能作为导光材料，于是人们将金属与电介质组成复合结构，从此个蓬勃发展研究领域诞生即表面等离子体光子学。金属与介质界面处表面等离子体激元激发，使人们发现可以设计不同复合结构来实现对光亚波长操控。表面等离子体激元是光波与金属表面自由电子之间相互作用产生电磁模，且沿界面作振荡式运动。这种特性可应用于亚波长尺度光子元件与回路。含金属微纳结构光学性质引起了广泛研究兴趣。关于平板多