各向异性特异材料波导中表面等离子体的共振性质

张利伟; 赵玉环; 王勤; 方恺; 李卫彬; 乔文涛

doi:10.7498/aps.61.068401

摘要

使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.

关键词:

Abstract

The resonance properties of surface plasmon in the AMM/dielectric/AMM waveguide are theoretically studied by using the finite-difference time-domain technique, where the claddings are anisotropic metamaterial (AMM) . From the dispersion relation, it is found that the AMM/dielectric/AMM waveguide supports TE polarized surface plasmon if AMM is always-cutoff with negative permeability. The wavelength of the surface plasmon becomes shorter when both the thickness of the dielectric core and the magnetic plasma frequency of AMM decrease. For an AMM/dielectric/AMM waveguide with a finite length, a subwavelength plasmon microcavity can be formed by Fabry-Perot resonance caused by the reflection of the guided mode at the entrance and the exit surfaces. At the resonant frequency, the electric field is maximized in the center, the magnetic field is maximized at the dielectric core entrance and exit, and the electromagnetic energy is strongly concentrated around the dielectric core. Such electromagnetic properties will have potential applications in the tunable subwavelength microcavity with strongly localized field and in the cavity quantum electrodynamics.

Keywords:

作者及机构信息

1.
河南理工大学物理化学学院, 焦作 454000;

2.
同济大学波耳固体物理研究所, 上海 200092

通信作者: 张利伟, lwzhang@hpu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 10904032)、中国博士后科学基金(批准号: 20100480629)、河南省教育厅自然科学基金(批准号: 2010B140005, 2010A140004)、河南理工大学青年骨干教师基金(批准号: 649144) 和河南理工大学博士基金(批准号: B2009-88) 资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physics and Chemistry, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

2.
Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China

Corresponding author: Zhang Li-Wei, lwzhang@hpu.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10904032), the China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (Grant No. 20100480629), the Natural Science Foundation of Henan Educational Committee, China (Grant Nos. 2010B140005, 2010A140004), the Program for Youthful Key Teachers (Grant No. 649144), and the Doctoral Foundation (Grant No. B2009-88) in Henan Polytechnic University.

参考文献

[1]	Veselago V G 1968 Soviet Physics Usp. 10 509
[2]
[3]	Sun Y Z, Ran L X, Wang D X, Wang W G, Chen Q L 2010 Acta Phys Sin. 59 4602 (in Chinese) [孙永志, 冉立新, 王东兴, 王伟光, 陈秋林 2010 59 4602]
[4]
[5]	Alu` A, Engheta N 2003 IEEE Trans. Antennas Propagat. 51 2558
[6]	Zhang L W, Wang Y Z, He L, Xu J P 2010 Acta Phys Sin 59 6106 (in Chinese) [张利伟, 王佑贞, 赫丽, 许静平2010 59 6106]
[7]
[8]	Zhou L, Wen W J, Chan C T, Shen P 2005 Phys. Rev. Lett. 94 243905
[9]
[10]
[11]	Xiang Y J, Dai X Y, We S C 2007 J. Opt. Soc. Am. B 24 2033
[12]
[13]	Marques R, Medina F, Rafii-EI-Idrissi R 2002 Phys. Rev. B 65 144440
[14]	Smith D R, Schultz S 2003 Phys. Rev. Lett. 90 077405
[15]
[16]
[17]	Schurig D, Smith D R 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2215
[18]	Fang A, Koschny T, Soukoulis C M 2009 Phys. Rev. B 79 245127
[19]
[20]	Liu H Y, Lv Q, Luo H L, Wen S C 2010 Acta Phys Sin. 59 256 (in Chinese) [刘虹遥, 吕强, 罗海陆, 文双春 2010 59 256]
[21]
[22]
[23]	Feng Y J, Teng X H, Wnag Z B, Zhao J M, Jiang T 2009 J. Appl. Phys. 105 034912
[24]
[25]	Jiang T, Zhao J M, Feng Y J 2009 Opt. Express 17 170
[26]	Ruppin R 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 1811
[27]
[28]	Miyazaki H T, Kurokawa Y 2006 Phys. Rev. Lett. 96 097401
[29]
[30]
[31]	Kurokawa Y, Miyazaki H T 2007 Phys. Rev. B 75 035411
[32]	Park J, Kim K Y, Lee I M, Na H, Lee S Y, Lee B 2010 Opt. Express 18 598
[33]
[34]
[35]	Stegeman G I, Wallis R F, Maradudin A A 1983 Opt. Lett. 8 386
[36]	Li M, Wen Z C, Fu J X, Fang X, Dai Y M, Liu R J, Han X F, Qiu X G 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 115420
[37]
[38]	Helgert C, Menzel C, Rockstuhl C, Pshenay-Severin E, Kley E B, Chipouline A, Tunnermann A, Lederer F, Pertsch T 2009 Opt. Lett. 34 704
[39]
[40]
[41]	Feng Y J, Teng X H, Chen Y, Jiang T 2005 Phys. Rev. B 72 245107
[42]
[43]	Dionne J A, Lezec H J, Atwater H A 2006 Nano Lett. 6 1928
[44]
[45]	Gordon R 2006 Phys. Rev. B 73 153405
[46]
[47]	Zhang L W, Zhang Y W, Zhao Y H, Zhai J W, Li L X 2010 Opt. Express 18 25052

施引文献

[1]	Veselago V G 1968 Soviet Physics Usp. 10 509
[2]
[3]	Sun Y Z, Ran L X, Wang D X, Wang W G, Chen Q L 2010 Acta Phys Sin. 59 4602 (in Chinese) [孙永志, 冉立新, 王东兴, 王伟光, 陈秋林 2010 59 4602]
[4]
[5]	Alu` A, Engheta N 2003 IEEE Trans. Antennas Propagat. 51 2558
[6]	Zhang L W, Wang Y Z, He L, Xu J P 2010 Acta Phys Sin 59 6106 (in Chinese) [张利伟, 王佑贞, 赫丽, 许静平2010 59 6106]
[7]
[8]	Zhou L, Wen W J, Chan C T, Shen P 2005 Phys. Rev. Lett. 94 243905
[9]
[10]
[11]	Xiang Y J, Dai X Y, We S C 2007 J. Opt. Soc. Am. B 24 2033
[12]
[13]	Marques R, Medina F, Rafii-EI-Idrissi R 2002 Phys. Rev. B 65 144440
[14]	Smith D R, Schultz S 2003 Phys. Rev. Lett. 90 077405
[15]
[16]
[17]	Schurig D, Smith D R 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2215
[18]	Fang A, Koschny T, Soukoulis C M 2009 Phys. Rev. B 79 245127
[19]
[20]	Liu H Y, Lv Q, Luo H L, Wen S C 2010 Acta Phys Sin. 59 256 (in Chinese) [刘虹遥, 吕强, 罗海陆, 文双春 2010 59 256]
[21]
[22]
[23]	Feng Y J, Teng X H, Wnag Z B, Zhao J M, Jiang T 2009 J. Appl. Phys. 105 034912
[24]
[25]	Jiang T, Zhao J M, Feng Y J 2009 Opt. Express 17 170
[26]	Ruppin R 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 1811
[27]
[28]	Miyazaki H T, Kurokawa Y 2006 Phys. Rev. Lett. 96 097401
[29]
[30]
[31]	Kurokawa Y, Miyazaki H T 2007 Phys. Rev. B 75 035411
[32]	Park J, Kim K Y, Lee I M, Na H, Lee S Y, Lee B 2010 Opt. Express 18 598
[33]
[34]
[35]	Stegeman G I, Wallis R F, Maradudin A A 1983 Opt. Lett. 8 386
[36]	Li M, Wen Z C, Fu J X, Fang X, Dai Y M, Liu R J, Han X F, Qiu X G 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 115420
[37]
[38]	Helgert C, Menzel C, Rockstuhl C, Pshenay-Severin E, Kley E B, Chipouline A, Tunnermann A, Lederer F, Pertsch T 2009 Opt. Lett. 34 704
[39]
[40]
[41]	Feng Y J, Teng X H, Chen Y, Jiang T 2005 Phys. Rev. B 72 245107
[42]
[43]	Dionne J A, Lezec H J, Atwater H A 2006 Nano Lett. 6 1928
[44]
[45]	Gordon R 2006 Phys. Rev. B 73 153405
[46]
[47]	Zhang L W, Zhang Y W, Zhao Y H, Zhai J W, Li L X 2010 Opt. Express 18 25052

[1]	李文秋, 唐彦娜, 刘雅琳, 王刚. 电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响. , 2023, 72(5): 055202. doi: 10.7498/aps.72.20222048
[2]	汪静丽, 杨志雄, 董先超, 尹亮, 万洪丹, 陈鹤鸣, 钟凯. 基于VO₂的太赫兹各向异性编码超表面. , 2023, 72(12): 124204. doi: 10.7498/aps.72.20222171
[3]	王芳, 陈亚珂, 李传强, 马涛, 卢颖慧, 刘恒, 金婵. 非对称银膜多孔硅-氟化钙等离子体波导及其波导灵敏度特性. , 2021, 70(22): 224201. doi: 10.7498/aps.70.20210704
[4]	王芳, 张龙, 马涛, 王旭, 刘玉芳, 马春旺. 一种低损耗的对称双楔形太赫兹混合表面等离子体波导. , 2020, 69(7): 074205. doi: 10.7498/aps.69.20191666
[5]	李志全, 张明, 彭涛, 岳中, 顾而丹, 李文超. 基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性. , 2016, 65(10): 105201. doi: 10.7498/aps.65.105201
[6]	孙杰, 杨剑锋, 闫肃, 杨晶晶, 黄铭. 等离子体辅助平板波导的传输特性及应用研究. , 2015, 64(7): 078402. doi: 10.7498/aps.64.078402
[7]	乔文涛, 龚健, 张利伟, 王勤, 王国东, 廉书鹏, 陈鹏辉, 孟威威. 梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质. , 2015, 64(23): 237301. doi: 10.7498/aps.64.237301
[8]	王五松, 张利伟, 冉佳, 张冶文. 微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究. , 2013, 62(18): 184203. doi: 10.7498/aps.62.184203
[9]	王五松, 张利伟, 张冶文, 方恺. 基于二维特异材料波导的表面电磁波的慢波实验研究. , 2013, 62(2): 024203. doi: 10.7498/aps.62.024203
[10]	李山, 钟明亮, 张礼杰, 熊祖洪, 张中月. 偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响. , 2011, 60(8): 087806. doi: 10.7498/aps.60.087806
[11]	黄茜, 王京, 曹丽冉, 孙建, 张晓丹, 耿卫东, 熊绍珍, 赵颖. 纳米Ag材料表面等离子体激元引起的表面增强拉曼散射光谱研究. , 2009, 58(3): 1980-1986. doi: 10.7498/aps.58.1980
[12]	孟繁义, 吴群, 傅佳辉, 杨国辉. 各向异性超常媒质矩形波导的导波特性研究. , 2008, 57(9): 5476-5484. doi: 10.7498/aps.57.5476
[13]	周建华, 刘虹遥, 罗海陆, 文双春. 各向异性超常材料中倒退波的传播研究. , 2008, 57(12): 7729-7736. doi: 10.7498/aps.57.7729
[14]	周仁龙, 陈效双, 曾勇, 张建标, 陈洪波, 王少伟, 陆卫, 李宏建, 夏辉, 王玲玲. 金属光子晶体平板的超强透射及其表面等离子体共振. , 2008, 57(6): 3506-3513. doi: 10.7498/aps.57.3506
[15]	翁紫梅, 陈浩. 单离子各向异性影响下的一维铁磁链中的孤子. , 2007, 56(4): 1911-1918. doi: 10.7498/aps.56.1911
[16]	杨宏伟, 袁洪, 陈如山, 杨阳. 各向异性磁化等离子体的SO-FDTD算法. , 2007, 56(3): 1443-1446. doi: 10.7498/aps.56.1443
[17]	庄飞, 沈建其. 双轴各向异性负折射率材料光纤中光子波函数几何相位研究. , 2005, 54(2): 955-960. doi: 10.7498/aps.54.955
[18]	刘少斌, 莫锦军, 袁乃昌. 各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法. , 2004, 53(3): 783-787. doi: 10.7498/aps.53.783
[19]	刘少斌, 莫锦军, 袁乃昌. 各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法. , 2004, 53(7): 2233-2236. doi: 10.7498/aps.53.2233
[20]	李安华, 董生智, 李卫. 烧结Sm2Co17型永磁材料的力学性能及断裂行为的各向异性. , 2002, 51(10): 2320-2324. doi: 10.7498/aps.51.2320

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