【摘要】：最近20年,與超材料領域相關的研究吸引了廣大科研工作者的極大興趣。這是由于基于超材料的亞波長結構具有自然界中所不具有的奇異的特性,比如負折射率材料,隱身,和超透鏡。然而,由于大多數(shù)設計的超材料結構都是金屬共振的結構,因此所設計結構的吸收損耗是不可避免的。這種吸收損失會極大的降低它們的共振性能。后來人們提出了多種新穎的方法來克服這種損失。實際上,所有的事情都是雙面的。對于一些特定的結構(比如三維的金屬-介質-金屬夾層結構),這種結構的吸收不但有用而且還可以明顯地增加。因此,最近幾年,關于超材料完美吸收(或超材料吸收器)的研究同樣得到了人們的廣泛關注。本文基于FDTD的計算方法理論研究了幾種亞波長的超材料結構在太赫茲(THz)波段的吸收特性,得到了一些有意義的結果。本文的主要工作可以簡單的概括為如下三個部分:多帶或寬帶的太赫茲超材料吸收器:此部分呈現(xiàn)了五種不同的太赫茲超材料吸收器。一、理論研究了具有多層相同尺寸金屬結構堆積的寬帶太赫茲超材料吸收器。研究發(fā)現(xiàn),大于99%吸收的共振帶寬可以高達0.3 THz,且它的相對吸收帶寬可高達42%。此外,在較大的入射角度情況下,這種寬帶的吸收特性仍能保持較高的吸收。此寬帶吸收器的共振機理主要源于層與層之間的相互作用。進一步的,我們提出了一個雜化的電荷分布模型來分析此共振帶寬的物理起源。我們的理論研究為利用相同長度的金屬結構設計寬帶的超材料吸收器提供了一種新的思路。二、研究了一個簡單的堆積狀結構具有超寬吸收以及極化不敏感的吸收特性的新穎超材料吸收器,此吸收器僅有2個金屬層堆積而成。相比于以前報道的需要至少堆積20個不同大小的金屬層結構,所設計的吸收器具有易于構造和結構緊湊的特點。進一步的研究發(fā)現(xiàn),所設計的吸收器具有帶寬可調的特性。三、研究了一個由共面的雙圓環(huán)構成的寬帶和極化不敏感的太赫茲超材料吸收器。結果表明,此吸收器的相對吸收帶寬可高達42%,這是單個圓環(huán)結構的2倍。且當入射光的角度偏轉為60度時,它的寬帶吸收特性仍能保持較高的吸收。進一步的,我們提出了一個新穎的共振雜化理論來研究這兩個圓環(huán)之間的相互作用。相比于以前提出的堆積狀的寬帶吸收器結構,所設計的平面寬帶吸收器更具有實際性的意義。四、提出了一種以單個金屬條結構為諧振單元的新型雙帶太赫茲超材料吸收器。研究發(fā)現(xiàn),此吸收器不僅具有一個接近完美吸收的基模共振吸收峰,而且一個明顯的高階共振同樣具有接近1的吸收。更加重要的是,高階共振吸收峰的品質因子(Q)和品質因數(shù)(FOM)均明顯優(yōu)于基模共振吸收峰,這就使得所提出的吸收器在生物監(jiān)測和傳感方面具有較大的應用潛力。五、設計了一種以四個個共面同心圓環(huán)結構為晶格的四帶太赫茲超材料吸收器。結果表明,該結構具有四個獨立的吸收峰,且這些吸收峰的吸收效率平均超過97%。進一步的研究表明,各個吸收峰的共振頻率可以通過改變相應金屬圓環(huán)的尺寸而靈活的控制。此外,這個多帶的設計理念適用于其他類型的吸收器結構,且這些結構可以按照比例的縮放而工作在其他的頻率范圍�？烧{的太赫茲超材料吸收器:此部分設計了三種可調的太赫茲超材料吸收器。一、研究了一款機械頻率連續(xù)可調(mems)的太赫茲超材料吸收器,結果顯示,通過連續(xù)移動上下兩個金屬層之間的相對位置,我們便可以獲得一個連續(xù)可調的共振吸收峰。特別地,通過使用類似的方法我們還實現(xiàn)了雙帶頻率可調,三帶頻率可調甚至寬帶頻率可調的超材料吸收器。這種頻率連續(xù)可調的超材料吸收器在傳感,檢測和成像方面具有潛在的應用前景。二、研究了具有兩個同心正方形結構組成的復合超材料結構,并且從理論上研究了它的光學性質。發(fā)現(xiàn)當這兩個正方形結構的中心位置出現(xiàn)偏離時,吸收峰的數(shù)量會隨著這兩個方形結構的相對位置的變化而具有不同的性質。特別地,整個復合結構的吸收帶寬可以由移動這兩個方形結構的相對位置而決定。我們還證明了光的入射角度對所研究的復合結構共振帶寬的影響。三、理論研究了一種新穎的工作在深亞波長尺寸的頻率連續(xù)可調的太赫茲超材料吸收器。研究發(fā)現(xiàn),通過改變吸收體的工作溫度,我們獲得了高達80.2%頻率調整的超材料吸收器,且它的吸收強度的變化是可以忽略的。共振頻率的移動主要源自于中間介質層折射率對溫度的依賴關系。特別地,在0.111thz時,此吸收器的晶格周期和諧振波長之間的比值接近1/36,這遠遠小于以前報道的超材料吸收器。因此提出的超材料吸收器可以認為是工作在深亞波長尺寸下的。此外,這種設計理念適用于其他類型的吸收器結構,像金屬叉絲和金屬圓板結構等。我們的研究為利用溫度相關的介電材料設計新型的可調的電光器件提供了一種新的思路。低電導的合金超材料吸收器:此部分設計了兩種低電導的太赫茲超材料吸收器。一、我們首先研究了具有低電導的復合超材料結構,并且從理論上分析了它的光學性質。相比于傳統(tǒng)的高電導(以金為例)的超材料吸收器,設計的低電導的合金吸收器具有三方面的優(yōu)勢:第一也是最重要的,它的相對吸收帶寬可高達38.8%,這大約是高電導(au)超材料吸收器的3.6倍;第二,入射光的能量大部分局域在合金層中,這有利于增加中間介質層的選擇范圍;第三,可以替代貴金屬材料的使用,從而減少對環(huán)境的污染。因此,我們認為采用低電導的合金材料可以完全替代由以貴金屬為構造材料的超材料吸收器。進一步的研究發(fā)現(xiàn),超寬帶的太赫茲超材料吸收器可以通過堆積3層不同大小的合金板狀結構而獲得,且此吸收器的相對吸收帶寬可提高到70.4%,遠大于以前報道的超寬帶超材料吸收器。我們的研究可為利用低電導的合金結構設計和制造寬帶或超寬帶的超材料吸收器提供理論支持并具指導意義。二、研究了一個僅有一個正方形低電導的合金結構形成的共面太赫茲超材料吸收器。結果顯示,該吸收器大于80%吸收的相對吸收帶寬可以高達101.2%,這遠遠大于以前報道的結果。該吸收器的共振機理源自于兩個不同共振頻率的相互疊加。相比于堆積多個不同尺寸的結構(包括合金結構)而形成的寬帶吸收器,該共面結構具有結構簡單、便于構造的特點。
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【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB34;O441

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