【摘要】：超材料(Metamaterials,簡稱MMs)是一種具有超常物理性質(zhì)的新型材料,可以表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的電磁特性,如人工磁性和負(fù)折射率等。近年來,與MMs相關(guān)的研究已經(jīng)引起了不少科學(xué)研究者的廣泛關(guān)注。但是,在大多數(shù)MMs器件的設(shè)計(jì)中,使用較多的是金屬結(jié)構(gòu),這造成了不可避免的吸收損耗,從而導(dǎo)致其性能下降。因此,研究人員做了很多工作來實(shí)現(xiàn)低損失的器件設(shè)備,如優(yōu)化結(jié)構(gòu)的參數(shù)和使用增益材料等。在近些年,MMs完美吸收概念的提出開創(chuàng)了一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域,這項(xiàng)研究使得吸收損耗變成了優(yōu)勢。本文基于表面等離激元的傳輸和相互作用,利用時(shí)域有限差分方法對構(gòu)建的光子器件中的MMs吸收器在太赫茲波段和中紅外波段的吸收特性和機(jī)理進(jìn)行深入地探討。本文的主要工作內(nèi)容以及研究結(jié)果如下:在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多波段的完美吸收器,此吸收器是由一個(gè)帶有T形槽的方形金屬(上層)和金屬地板(下層)所組成的周期性結(jié)構(gòu),且這兩層金屬中間用一個(gè)絕緣層隔開。經(jīng)數(shù)值計(jì)算研究發(fā)現(xiàn),我們提出的結(jié)構(gòu)形成了四個(gè)吸收光譜,共振頻率分別位于1.12 THz,2.49 THz,3.45 THz,3.91 THz,且它們的吸收率分別是98.0%,98.9%,98.7%和99.6%,幾乎達(dá)到了一個(gè)完美的吸收。此外,我們還證明了通過改變方形金屬帶的長度,吸收光譜具有單波段到寬帶的可調(diào)性。這樣,就可以選擇或調(diào)節(jié)到我們想要的頻率,更重要的是,品質(zhì)因子(Q)在共振頻率為3.91 THz處的是30.1,這個(gè)數(shù)值是1.12 THz處Q值的5.5倍。通過進(jìn)一步的模擬計(jì)算,證明了輻射場的極化角度對吸收特性有一定的敏感度。因此,這種結(jié)構(gòu)在某些領(lǐng)域可以提供有益的幫助,如通過一些特定的方法控制光的偏振并檢測電磁波偏振。在中紅外波段附近,我們構(gòu)造了一個(gè)H形的石墨烯條帶,然后把石墨烯放置在以金屬板為襯底的介質(zhì)層上。模擬結(jié)果表明在H形的石墨烯條帶上激發(fā)了石墨烯表面等離激元,形成了兩個(gè)非常顯著的窄帶吸收光譜,共振頻率在6.3μm(模式1)和8.6μm(模式2)處,吸收率分別為99.65%和99.8%。這兩個(gè)吸收帶寬(FWHM)分別是90 nm和188 nm。通過電場圖分析得到模式1是由偶極子共振產(chǎn)生的,而另外一個(gè)光譜是由一個(gè)新的模式共振產(chǎn)生的,叫做雜化模式。在經(jīng)過進(jìn)一步的計(jì)算后,我們得到一些更有意義的結(jié)果,如:吸收譜的位置可以通過調(diào)節(jié)介質(zhì)層的折射率和改變石墨烯的費(fèi)米能級而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的。此外,我們還研究了多層石墨烯陣列的吸收特性,得到了多帶的吸收光譜。這些設(shè)計(jì)方法使我們能夠控制吸收光譜的數(shù)量,有利于制造納米光子器件,例如濾波器,熱探測器,和電磁波能量儲存等設(shè)備。提出了一種基于石墨烯的可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光譜和極化不敏感的等離子體器件。為了實(shí)現(xiàn)對石墨烯表面等離子體的能量高度局域,我們使用一個(gè)硅光柵來激發(fā)石墨烯表面等離激元,以金屬板為襯底作為反射層,最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完美吸收器。模擬結(jié)果顯示,此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)窄帶的吸收光譜。這種結(jié)構(gòu)可以被用作高度可調(diào)的光調(diào)制器,因?yàn)樗墓舱癫ㄩL可以通過改變石墨烯的費(fèi)米能量來精確控制。此外,我們通過改變硅的周期和半徑來獲得多光譜吸收峰。在本文中,我們不僅使用無損的金屬鏡,而且還提供了一個(gè)多層的介質(zhì)組成的布拉格反射鏡來代替金屬板,結(jié)果表明在這兩種條件下,我們都可以獲得高吸收率。這種吸收器將有利于熱探測器、光學(xué)調(diào)制器和電磁波能量存儲等設(shè)備。
【圖文】：

表面等離激元超材料吸收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究6圖1.1 波矢匹配的示意圖。文獻(xiàn)[46]一，棱鏡耦合實(shí)現(xiàn)波矢補(bǔ)償?shù)姆椒?被稱為 Attenuated Total Reflection method,ATR)。結(jié)構(gòu)圖如圖 1.2(a)所示。二，在 1971 年，Kretschman 在棱鏡的反射面上鍍了一層金屬薄膜，也實(shí)現(xiàn)了這種光場的耦合，，這種結(jié)構(gòu)被稱為 Kretschman 裝置，如圖 1.2(b)所示。三，波導(dǎo)邊界處存在一定的迅衰場，能夠激發(fā) SPs。那么在波導(dǎo)界面的某個(gè)位置上

圖1.1 波矢匹配的示意圖。文獻(xiàn)[46]矢補(bǔ)償?shù)姆椒?被稱為 Attenuated Total)所示。tschman 在棱鏡的反射面上鍍了一層金構(gòu)被稱為 Kretschman 裝置，如圖 1.2(一定的迅衰場，能夠激發(fā) SPs。那么屬，通過這個(gè)鍍了金屬的電磁波就能被用于研究中，在實(shí)際應(yīng)用中，將光纖屬，這樣就能夠得到使用一種簡單結(jié)，是一種光柵，利用光柵耦合結(jié)構(gòu)不僅可以影響 SPs 的特性。由于光柵激發(fā)數(shù)，因此利用光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離和關(guān)注。棱棱
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

本文編號：2649225