Generacja plazmonów polarytonów powierzchniowych na strukturach periodycznych

Niniejsza praca dotyczy generacji plazmonów polarytonów powierzchniowych (SPP) na asymetrycznych periodycznych strukturach metalowych. Przedstawiono wyniki numeryczne obrazujące działanie nowej konfiguracji jednowymiarowej struktury dyfrakcyjnej umożliwiającej kontrolę kierunku propagacji energii przy powierzchni przy zachowaniu padania normalnego. Warstwowa struktura składa się z dwóch różnych metalowych siatek, zanurzonych w różnych dielektrykach. Pokazano, że nawet niewielka zmiana ich przesunięcia względnego bądź zmiana kontrastu dielektrycznego może powodować zmianę kierunku propagacji energii w polu bliskim. Efekt ten może być wykorzystany przy projektowaniu urządzeń optycznych. W pracy przedstawiono także zarys metody numerycznej RCWA oraz rozszerzeń, na podstawie których opracowany został wszechstronny i zaawansowany kod numeryczny pozwalający na symulację oddziaływania pola elektromagnetycznego (EM) z wielowarstwową strukturą periodyczną o dowolnym profilu. Program umożliwia symulację padania, pod dowolnym kątem, fali płaskiej o dowolnej polaryzacji liniowej, bądź wiązki o dowolnym rozkładzie amplitudy i fazy. Możliwe jest także obliczenie spektralnych współczynników odbicia i transmisji, zależności dyspersyjnych, oraz wizualizacja rozkładu składowych pola w dowolnej płaszczyźnie. Przedstawione zostały także teoretyczne podstawy generacji i propagacji SPP. Przeprowadzono analizę modów cząstkowych wzbudzanych na metalowej strukturze jednowarstwowej pod kątem oddziaływania międzymodowego oraz transformacji modów zlokalizowanych w zdelokalizowane i ich wpływu na kierunek przepływu energii przy powierzchni. Zidentyfikowane zostały mody struktury dwuwarstwowej, ich wzajemne oddziaływanie oraz ich wpływ na odpowiedź optyczną całej struktury. Została sformułowana teza dotycząca możliwości interpretacji fizycznej działania struktury na podstawie analizy jednej z opisywanych konfiguracji. Wyjaśniono przyczyny fizyczne odpowiadające za zmianę kierunkowości propagacji energii w oparciu o analizę relacji dyspersji struktury i kierunków propagacji modów związanych z normalną do powierzchni ekwienergetycznej wyznaczoną przez wektor prędkości grupowej danego modu.

The dissertation concerns the surface plasmon polariton (SPP) generation at asymmetrical periodic metal structures. Numerical results show an ability of new periodic one-dimensional configuration of metal grating to control energy propagation direction in the vicinity of the structure by a change of one of its geometrical parameters maintaining in the same time the advantage of normal incidence. The layered structure consists of two different metal gratings immersed in different dielectric media. It is showed that even a small change in the relative shift between both layers or a change in the dielectric filling contrast may redirect the energy in the near field. This effect may be useful in designing optical devices. An outline of numerical method used (RCWA) together with several extensions is given. This enabled to develop a versatile and advanced numerical code that allows to simulate electromagnetic (EM) field behaviour at multilayer periodic structures of arbitrary profile. The code allows to simulate EM field in the form of plane wave of linear polarisation impinging under the arbitrary angle or in the form of finite-diameter optical beam of arbitrary distribution of amplitude and phase. It also gives the possibility to calculate spectral transmission and reflection coefficients, dispersion relations and to visualise the distribution of field components in any plane. A theoretical basis of SPP generation and propagation is also given. An analysis of partial modes excited at one-layer metal periodic structure with the stress on modal interaction, surface-to-localized plasmon polariton transformation and their influence on the energy propagation direction near the structure is also presented. In addition, an identification of two-layered structure modes, their mutual interaction and influence on the whole optical response of the structure is given. Finally, a thesis regarding the possibility of physical interpretation of the principle of working of the asymmetrical structure is presented, based on one of the descripted configurations. On the basis of the dispersion relation analysis and modes propagation directions that are connected with the normal to equienergetic curve determined by a group velocity vector of the mode, physical reasons responsible for a change in the energy propagation direction are presented.