表面等离激元超材料吸收器的优化设计及应用研究

发布时间：2020-05-05 00:29

【摘要】：超材料(Metamaterials,简称MMs)是一种具有超常物理性质的新型材料,可以表现出与传统材料不同的电磁特性,如人工磁性和负折射率等。近年来,与MMs相关的研究已经引起了不少科学研究者的广泛关注。但是,在大多数MMs器件的设计中,使用较多的是金属结构,这造成了不可避免的吸收损耗,从而导致其性能下降。因此,研究人员做了很多工作来实现低损失的器件设备,如优化结构的参数和使用增益材料等。在近些年,MMs完美吸收概念的提出开创了一项新的研究领域,这项研究使得吸收损耗变成了优势。本文基于表面等离激元的传输和相互作用,利用时域有限差分方法对构建的光子器件中的MMs吸收器在太赫兹波段和中红外波段的吸收特性和机理进行深入地探讨。本文的主要工作内容以及研究结果如下:在太赫兹频段实现了一个多波段的完美吸收器,此吸收器是由一个带有T形槽的方形金属(上层)和金属地板(下层)所组成的周期性结构,且这两层金属中间用一个绝缘层隔开。经数值计算研究发现,我们提出的结构形成了四个吸收光谱,共振频率分别位于1.12 THz,2.49 THz,3.45 THz,3.91 THz,且它们的吸收率分别是98.0%,98.9%,98.7%和99.6%,几乎达到了一个完美的吸收。此外,我们还证明了通过改变方形金属带的长度,吸收光谱具有单波段到宽带的可调性。这样,就可以选择或调节到我们想要的频率,更重要的是,品质因子(Q)在共振频率为3.91 THz处的是30.1,这个数值是1.12 THz处Q值的5.5倍。通过进一步的模拟计算,证明了辐射场的极化角度对吸收特性有一定的敏感度。因此,这种结构在某些领域可以提供有益的帮助,如通过一些特定的方法控制光的偏振并检测电磁波偏振。在中红外波段附近,我们构造了一个H形的石墨烯条带,然后把石墨烯放置在以金属板为衬底的介质层上。模拟结果表明在H形的石墨烯条带上激发了石墨烯表面等离激元,形成了两个非常显著的窄带吸收光谱,共振频率在6.3μm(模式1)和8.6μm(模式2)处,吸收率分别为99.65%和99.8%。这两个吸收带宽(FWHM)分别是90 nm和188 nm。通过电场图分析得到模式1是由偶极子共振产生的,而另外一个光谱是由一个新的模式共振产生的,叫做杂化模式。在经过进一步的计算后,我们得到一些更有意义的结果,如:吸收谱的位置可以通过调节介质层的折射率和改变石墨烯的费米能级而达到动态调节的目的。此外,我们还研究了多层石墨烯阵列的吸收特性,得到了多带的吸收光谱。这些设计方法使我们能够控制吸收光谱的数量,有利于制造纳米光子器件,例如滤波器,热探测器,和电磁波能量储存等设备。提出了一种基于石墨烯的可动态调节光谱和极化不敏感的等离子体器件。为了实现对石墨烯表面等离子体的能量高度局域,我们使用一个硅光栅来激发石墨烯表面等离激元,以金属板为衬底作为反射层,最终实现了一个完美吸收器。模拟结果显示,此结构实现了两个窄带的吸收光谱。这种结构可以被用作高度可调的光调制器,因为它的共振波长可以通过改变石墨烯的费米能量来精确控制。此外,我们通过改变硅的周期和半径来获得多光谱吸收峰。在本文中,我们不仅使用无损的金属镜,而且还提供了一个多层的介质组成的布拉格反射镜来代替金属板,结果表明在这两种条件下,我们都可以获得高吸收率。这种吸收器将有利于热探测器、光学调制器和电磁波能量存储等设备。
【图文】：

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表面等离激元超材料吸收器的优化设计及应用研究6图1.1 波矢匹配的示意图。文献[46]一，棱镜耦合实现波矢补偿的方法(被称为 Attenuated Total Reflection method,ATR)。结构图如图 1.2(a)所示。二，在 1971 年，Kretschman 在棱镜的反射面上镀了一层金属薄膜，也实现了这种光场的耦合，，这种结构被称为 Kretschman 装置，如图 1.2(b)所示。三，波导边界处存在一定的迅衰场，能够激发 SPs。那么在波导界面的某个位置上

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图1.1 波矢匹配的示意图。文献[46]矢补偿的方法(被称为 Attenuated Total)所示。tschman 在棱镜的反射面上镀了一层金构被称为 Kretschman 装置，如图 1.2(一定的迅衰场，能够激发 SPs。那么属，通过这个镀了金属的电磁波就能被用于研究中，在实际应用中，将光纤属，这样就能够得到使用一种简单结，是一种光栅，利用光栅耦合结构不仅可以影响 SPs 的特性。由于光栅激发数，因此利用光栅结构激发表面等离和关注。棱棱
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】