在納米光子學中,光子與物質之間的相互作用可激發(fā)出沿著金屬表面?zhèn)鞑サ馁渴挪?即表面等離激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）。表面等離激元有助于實現拉曼散射增強、光催化、光學透射增強等效應。超材料是在探索納米光學器件時發(fā)現的一類新型材料,基于金屬表面等離激元共振的超材料因其獨特的物理特性例如完美吸收、負折射率效應引起了人們的廣泛關注,在結構簡單、高集成度、低成本、超緊湊的傳感、太陽能電池等領域已成為近年來研究的熱點。但在高品質光學傳感領域仍然存在一些難題,如入射角窄、偏振敏感、頻帶單一、傳感靈敏度較低等。本文基于金屬表面等離激元共振構建了兩種多頻完美吸收超材料結構,利用時域有限差分法構建模型并進行數值模擬、優(yōu)化以及相關機理的探索,進而實現高品質的多頻帶光學傳感。主要有以下幾個方面:1.介紹了研究背景、超材料及基于等離激元超材料在完美吸收器方面的研究現狀。2.介紹了多頻超材料吸收器的理論基礎:表面等離激元的發(fā)展、基本性質、色散關系、激發(fā)方式、超材料吸收器傳感特性指標以及選用的數值計算方法的原理及優(yōu)點。3.設計和研究了雙頻表面等離激元超材料吸收器,在可見-近紅... 

【文章來源】：江西師范大學江西省

【文章頁數】：60 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

Landy等人[29]設計的超材料吸收器(a)結構示意圖；(b)吸收光譜圖

基于等離激元共振的多頻完美吸收超材料結構的構建及光學特性研究3圖1-5Landy等人[29]設計的超材料吸收器(a)結構示意圖；(b)吸收光譜圖2011年，Liu等人[30]提出了一個Au-MgF2-Au組成的超材料窄帶吸收器，實驗中在波長為1.6μm處產生約99%的吸收率，結構如圖1-6(a)所示。結構參數為：Au圓盤的半徑和厚度分別為352nm和20nm，MgF2介質層的厚度為30nm，Au基底層厚度為200nm，結構周期為600nm。此外，該吸收器在TE波和TM波下都具有寬入射角范圍的高吸收性，如圖1-6(b)顯示了TE波和TM波的吸收峰在不同入射角上的角色散圖。在TM偏振中，吸收峰幾乎與入射角無關，在80°時吸收峰也高達96%，這是因為入射光的磁場方向在不同入射角下保持不變，可以有效地驅動各個入射角的環(huán)流電流；相反，對于TE偏振，磁場在大角度下不能有效地驅動循環(huán)電流，但在80°時，吸收率仍然保持在50%。該吸收器結合了完美吸收器和表面等離激元傳感器的概念，并首次通過實驗證明了在近紅外波段下該窄帶完美吸收器可作為表面等離激元傳感器，為表面等離激元傳感開辟了一個新的方向，將促進一類新的納米級生物/化學傳感器的誕生。圖1-6Liu等人[30]設計的超材料吸收器(a)結構示意圖；(b)不同偏振下入射角的吸收光譜圖除單頻吸收器外，雙頻以及多頻吸收器也備受大眾的關注。2018年，Liu等人[31]提出并演示了一種新型的功能性金屬-半導體復合超材料，該金屬板可支持嵌入高折射率的半導體，獲得完美的光吸收以及增強的局部電磁常其中，結構參數如下：周期為500nm、Si環(huán)內徑和外徑分別為160nm和220nm、Si環(huán)和

碩士學位論文4Ag膜厚度分別為80nm和200nm，結構如圖1-7所示。在Ag-Si共振結構中，最大光譜吸收高于99.0%，實現了可見光-近紅外范圍內的雙頻段光吸收。另外，當采用成對的Si環(huán)陣列時，可以獲得三頻段光吸收。此外，還觀察到吸收器材料可由其他金屬和半導體實現，即可以通過引入其他光學共振介電納米結構來獲得多頻段光吸收。這些光學特性和結構特征不僅可以為多頻段光吸收提供替代方法，而且還為功能性光電技術(例如紅外光電探測器，熱電子激發(fā)和非線性光學)提供了新的思路。圖1-7Liu等人[31]設計的金屬-半導體復合超材料吸收器(a)結構示意圖；(b)吸收光譜圖同年，Zhao等人[32]提出了一種近紅外多頻窄帶超材料完美吸收器的設計，利用非對稱結構以及堆疊法來增加吸收帶的數量，結構如圖1-8所示�；诮饘�-電介質-金屬(MDM)結構獲得了單頻帶吸收，其吸收率超過94%；基于對稱電介電-電介電-金屬（SDDM）結構獲得了雙頻段吸收，吸收率分別超過99%和96%；通過減小兩個金屬條的長度得到非對稱結構，并基于非對稱電介質-電介質-金屬（ASDDM）結構實現了四頻段吸收，與對稱結構相比額外獲得了兩個吸收帶，吸收率分別為98%和94%。經過初步比較與分析，利用非對稱結構可以設計出多頻帶吸收器。隨后，Zhao等人嘗試將介質共振器堆疊在金屬共振器上以獲得更多的吸收帶。如圖1-8(a)所示，將雙頻帶SDDM結構堆疊在單頻帶MDM結構上獲得了SDDMDM結構，在近紅外波段成功實現了三頻段吸收；如圖1-8(c)所示，將四波段ASDDM結構堆疊在單波段MDM結構上，在近紅外波段中獲得了五頻段吸收。初步分析表明，采用堆疊法可以用于設計多頻帶吸收器。這兩種方法為我們后續(xù)設計多頻帶超材料完美吸收器提供了更多的方向。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]A theoretical study of a plasmonic sensor comprising a gold nano-disk array on gold film with a SiO2 spacer[J]. 王向賢,朱劍凱,童歡,楊旭東,吳梟雄,龐志遠,楊華,祁云平.  Chinese Physics B. 2019(04)
[2]基于塔姆激元-表面等離極化激元混合模式的單縫加凹槽納米結構的增強透射[J]. 祁云平,周培陽,張雪偉,嚴春滿,王向賢.  物理學報. 2018(10)

博士論文
[1]周期性金屬納米結構表面等離子激元器件的研究[D]. 梁瑜章.大連理工大學 2016
[2]時域有限差分法關鍵問題研究及其應用[D]. 袁偉良.西安電子科技大學 1998

碩士論文
[1]電磁場計算中的時域有限差分法的研究[D]. 王濤.吉林大學 2005



本文編號：2918545