太赫兹超材料吸收器的机理及应用研究

发布时间：2019-03-03 08:27

【摘要】：最近20年,与超材料领域相关的研究吸引了广大科研工作者的极大兴趣。这是由于基于超材料的亚波长结构具有自然界中所不具有的奇异的特性,比如负折射率材料,隐身,和超透镜。然而,由于大多数设计的超材料结构都是金属共振的结构,因此所设计结构的吸收损耗是不可避免的。这种吸收损失会极大的降低它们的共振性能。后来人们提出了多种新颖的方法来克服这种损失。实际上,所有的事情都是双面的。对于一些特定的结构(比如三维的金属-介质-金属夹层结构),这种结构的吸收不但有用而且还可以明显地增加。因此,最近几年,关于超材料完美吸收(或超材料吸收器)的研究同样得到了人们的广泛关注。本文基于FDTD的计算方法理论研究了几种亚波长的超材料结构在太赫兹(THz)波段的吸收特性,得到了一些有意义的结果。本文的主要工作可以简单的概括为如下三个部分:多带或宽带的太赫兹超材料吸收器:此部分呈现了五种不同的太赫兹超材料吸收器。一、理论研究了具有多层相同尺寸金属结构堆积的宽带太赫兹超材料吸收器。研究发现,大于99%吸收的共振带宽可以高达0.3 THz,且它的相对吸收带宽可高达42%。此外,在较大的入射角度情况下,这种宽带的吸收特性仍能保持较高的吸收。此宽带吸收器的共振机理主要源于层与层之间的相互作用。进一步的,我们提出了一个杂化的电荷分布模型来分析此共振带宽的物理起源。我们的理论研究为利用相同长度的金属结构设计宽带的超材料吸收器提供了一种新的思路。二、研究了一个简单的堆积状结构具有超宽吸收以及极化不敏感的吸收特性的新颖超材料吸收器,此吸收器仅有2个金属层堆积而成。相比于以前报道的需要至少堆积20个不同大小的金属层结构,所设计的吸收器具有易于构造和结构紧凑的特点。进一步的研究发现,所设计的吸收器具有带宽可调的特性。三、研究了一个由共面的双圆环构成的宽带和极化不敏感的太赫兹超材料吸收器。结果表明,此吸收器的相对吸收带宽可高达42%,这是单个圆环结构的2倍。且当入射光的角度偏转为60度时,它的宽带吸收特性仍能保持较高的吸收。进一步的,我们提出了一个新颖的共振杂化理论来研究这两个圆环之间的相互作用。相比于以前提出的堆积状的宽带吸收器结构,所设计的平面宽带吸收器更具有实际性的意义。四、提出了一种以单个金属条结构为谐振单元的新型双带太赫兹超材料吸收器。研究发现,此吸收器不仅具有一个接近完美吸收的基模共振吸收峰,而且一个明显的高阶共振同样具有接近1的吸收。更加重要的是,高阶共振吸收峰的品质因子(Q)和品质因数(FOM)均明显优于基模共振吸收峰,这就使得所提出的吸收器在生物监测和传感方面具有较大的应用潜力。五、设计了一种以四个个共面同心圆环结构为晶格的四带太赫兹超材料吸收器。结果表明,该结构具有四个独立的吸收峰,且这些吸收峰的吸收效率平均超过97%。进一步的研究表明,各个吸收峰的共振频率可以通过改变相应金属圆环的尺寸而灵活的控制。此外,这个多带的设计理念适用于其他类型的吸收器结构,且这些结构可以按照比例的缩放而工作在其他的频率范围。可调的太赫兹超材料吸收器:此部分设计了三种可调的太赫兹超材料吸收器。一、研究了一款机械频率连续可调(mems)的太赫兹超材料吸收器,结果显示,通过连续移动上下两个金属层之间的相对位置,我们便可以获得一个连续可调的共振吸收峰。特别地,通过使用类似的方法我们还实现了双带频率可调,三带频率可调甚至宽带频率可调的超材料吸收器。这种频率连续可调的超材料吸收器在传感,检测和成像方面具有潜在的应用前景。二、研究了具有两个同心正方形结构组成的复合超材料结构,并且从理论上研究了它的光学性质。发现当这两个正方形结构的中心位置出现偏离时,吸收峰的数量会随着这两个方形结构的相对位置的变化而具有不同的性质。特别地,整个复合结构的吸收带宽可以由移动这两个方形结构的相对位置而决定。我们还证明了光的入射角度对所研究的复合结构共振带宽的影响。三、理论研究了一种新颖的工作在深亚波长尺寸的频率连续可调的太赫兹超材料吸收器。研究发现,通过改变吸收体的工作温度,我们获得了高达80.2%频率调整的超材料吸收器,且它的吸收强度的变化是可以忽略的。共振频率的移动主要源自于中间介质层折射率对温度的依赖关系。特别地,在0.111thz时,此吸收器的晶格周期和谐振波长之间的比值接近1/36,这远远小于以前报道的超材料吸收器。因此提出的超材料吸收器可以认为是工作在深亚波长尺寸下的。此外,这种设计理念适用于其他类型的吸收器结构,像金属叉丝和金属圆板结构等。我们的研究为利用温度相关的介电材料设计新型的可调的电光器件提供了一种新的思路。低电导的合金超材料吸收器:此部分设计了两种低电导的太赫兹超材料吸收器。一、我们首先研究了具有低电导的复合超材料结构,并且从理论上分析了它的光学性质。相比于传统的高电导(以金为例)的超材料吸收器,设计的低电导的合金吸收器具有三方面的优势:第一也是最重要的,它的相对吸收带宽可高达38.8%,这大约是高电导(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层中,这有利于增加中间介质层的选择范围;第三,可以替代贵金属材料的使用,从而减少对环境的污染。因此,我们认为采用低电导的合金材料可以完全替代由以贵金属为构造材料的超材料吸收器。进一步的研究发现,超宽带的太赫兹超材料吸收器可以通过堆积3层不同大小的合金板状结构而获得,且此吸收器的相对吸收带宽可提高到70.4%,远大于以前报道的超宽带超材料吸收器。我们的研究可为利用低电导的合金结构设计和制造宽带或超宽带的超材料吸收器提供理论支持并具指导意义。二、研究了一个仅有一个正方形低电导的合金结构形成的共面太赫兹超材料吸收器。结果显示,该吸收器大于80%吸收的相对吸收带宽可以高达101.2%,这远远大于以前报道的结果。该吸收器的共振机理源自于两个不同共振频率的相互叠加。相比于堆积多个不同尺寸的结构(包括合金结构)而形成的宽带吸收器,该共面结构具有结构简单、便于构造的特点。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34;O441

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