金属环纳米超材料光学特性的研究

发布时间：2020-04-02 03:15

【摘要】：超材料是一类人工复合型结构或材料,它具有天然材料所不具备的超常物理性质。通过严格而复杂的人工设计可以表现出负折射、隐形、电磁诱导透明、完美吸收和单向无反射等物理特性。超材料的发现为电磁理论开辟了一个全新的研究方向,为材料设计领域提供了一种全新的思路。本论文对金属环纳米超材料的光学特性进行研究,主要开展如下工作:1、以超材料理论为基础设计了一个环形的共振器,利用高阶磁等离子共振实现超窄带完美吸收。由于采用了圆环形状结构,系统与偏振无关。研究表明:对于厚度t为60 nm的MgF2在本征共振频率178.76 THz处其吸收率为～56%,带宽为347 nm;在高阶共振频率424.5 THz处其吸收率为～1,带宽仅为13 nm。可见,基于高阶共振模式的吸收率高于本征共振模式,而基于高阶共振模式的带宽窄于本征共振模式。此外,根据共振波长下环境介质折射率变化所引起的相对反射率变化关系计算了基于高阶等离子共振的完美吸收峰的品质因数(FOM*)和灵敏度分别约为3700和190nm/RIU。2、在金属环纳米超材料系统中异常点(EP)处实现一个可控的单向无反射传播。由于采用了两个圆环共振器,系统与偏振无关。研究表明:当两个银圆环共振器间的距离s为485 nm且入射波沿着+z方向激发时,在波长1441 nm处反射率为～0;当减小距离s到395 nm且入射波沿着-z方向激发时,在波长1387 nm处反射率为～0。可见通过调节两个银圆环共振器间的距离s可实现在不同波长下的双向的单向无反射传播。此外,该结构在近EPs点处可作为一个窄带完美吸收器,其吸收率超过96%且吸收峰的Q-factor值为～41。总之,基于金属环纳米超材料的可调性实现了超窄带完美吸收和单向无反射传播,这些光学特性为传感器、探测器和滤波器等领域提供潜在的应用价值。
【图文】：

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感器［３３，３６１等，这些吸收器更具有实用性。逡逑在宽带完美吸收器研究方面，，２０１２年，0１１〖等人＿利用梯形各向异性的起材逡逑料板实现了超宽带完美吸收，其结构如图１．１所示。结构参数分别为Ｐ＝邋８００邋ｎｍ，逡逑Ｔ邋＝邋１０００邋ｎｍ，Ｗｓ邋＝邋１５０邋ｎｍ，Ｗｉ邋＝邋６００邋ｎｍ，ｔｄ邋＝邋３５邋ｎｍ邋和邋ｔｍ邋＝邋１５邋ｎｍ。ＴＭ邋偏振逡逑光沿着＋ｚ方向入射，用耦合波分析方法对超材料结构进行模拟，其吸收率超过逡逑９５％，半高宽为工作波长的８６％。如图１．２所示，高吸收率和宽带特性维持在非常逡逑宽的入射角范围内。短波长的光被捕获在梯形超材料板的上部，而长波长的光被逡逑捕获在梯形超材料板的下部。可见，该结构具有高吸收、超宽带和入射角不敏感逡逑２逡逑

吸收器,超宽带,吸收光谱,入射角

逦Ｊ逦０．５邋０．７邋０．９邋ｌ．ｌ＂？７．３逦ｉ．５逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（＾ｉｎｉ）逡逑图１．３：超窄带完美吸收器㈤结构图和㈦吸收光谱图逡逑等优点。逡逑在窄带完美吸收器研究方面，２０１４年，浙江大学的Ｚｈａｏ等人＿提出一个由逡逑Ａｇ－Ａｌ２０３－Ａｇ组成的超窄带吸收器，结构如图１．３⑷所示。结构参数为：ｄ邋＝邋５０逡逑ｎｍ和ｈ邋＝邋１５０邋ｎｍ。图１．３（ｂ）是超窄带吸收器的吸收光谱，由于Ｆａｂｒｙ－Ｐ６ｒｏｔ邋（ＦＰ）逡逑共振和银的固有损失的影响，光被完整的捕获在结构当中，插图展示出共振波长逡逑处放大的吸收光谱，其吸收率超过９５％且吸收峰带宽少于５邋ｎｍ。通过增加金属逡逑和电介质膜的厚度，可使吸收峰从可见光蓝移到近红外区域。逡逑在双带完美吸收器研宄方面，２０１２年，Ｃｈｅｎ等人Ｍｌ基于一个十字形纳米天逡逑线实现了一个双带完美吸收器
【学位授予单位】：延边大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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