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金属光子晶体与金属表面等离激元波导的数值研究的中期报告

Introduction

金属光子晶体（MPC）和金属表面等离激元（SP）波导是现代光学研究领域中备受关注的两个重要研究方向。金属光子晶体由一系列具有周期性的介电质或金属材料组成，具有光子禁带、全反射和频率选择性等特性，因此可以被应用于光电器件、激光器、微波器件等领域。而金属表面等离激元波导则是一种能够缩小光学器件尺寸，提高光学器件的性能的重要手段，其通过调制金属表面的电子密度和电场分布来实现近场光场的局部化和传输。

本文通过数值模拟研究MPC和SP波导的性质，为进一步探讨其应用提供理论支持和指导。本文主要从以下几个方面展开讨论。

1.MPC基本原理和性质；

2.SP波导基本原理和性质；

3.MPC-SP波导结构的设计和性质分析；

4.其他相关研究进展和展望。

MPC基本原理和性质

MPC是一种结构具有周期性的介质或金属材料的材料，具有以下几个特性。

1.光子禁带：由于结构周期性，可以存在禁止光子在特定频率范围内传播的光子禁带；

2.全反射：当光子入射角度大于临界角度时，可以实现全反射效应；

3.频率选择性：可以通过调整结构周期、尺寸和材料折射率等因素来控制光子带隙范围和位置，实现频率选择性。

SP波导基本原理和性质

SP波导是指位于金属-介质界面上，利用金属表面等离激元（SurfacePlasmon）模式实现光场局部化和传输的光导波导。SP模式是金属表面的一种特殊电磁波模式，其传播距离小于几百纳米级别，因此可以用于实现光场的局部化和传输，有以下几个优点。

1.可以缩小器件尺寸；

2.可以增强光-物质相互作用；

3.可以用于表面增强拉曼光谱等应用。

MPC-SP波导结构的设计和性质分析

MPC-SP波导结构是将MPC和SP波导结合起来，形成一种新的结构。这种结构可以将MPC的光子禁带和全反射特性与SP波导的局部化和传输特性相结合，形成一种既可以选择性地传输光子带隙中的光子又可以在表面上实现加强光-物质相互作用的光导波导。通过数值模拟分析可以得到以下几个结果。

1.当MPC中的光子禁带与SP模式频率发生重叠时，MPC-SP波导可以实现SP模式下的光传输，而且传输效率非常高；

2.由于SP模式存在传播损耗，因此需要考虑SP波导的长度和结构调整等因素，才能实现希望的光导效果；

3.通过调整MPC结构，可以实现光子带隙位置和大小的调整，进一步优化MPC-SP波导的性能。

其他相关研究进展和展望

MPC和SP波导是现代光学研究领域中备受关注的两个研究方向，其潜在应用广泛，相关研究已经展开。未来的研究可以从以下几个方向展开。

1.更精准的数值模拟分析，包括更准确的MPC结构描述和SP模式传播损耗模型等；

2.实验验证MPC-SP波导的性质，并考虑实际器件的制备和控制技术；

3.进一步探索MPC-SP波导在光电器件、单分子检测、光子芯片等领域的应用。