基于表面等离激元人工超材料完美吸收器的研究

发布时间：2020-07-17 08:18

【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmons,简称SPs),是一种电子气集体振荡~([1]-[15])。由于隐场的特点,空间域的光场衍射极限被SPs打破,并出现局部增强效应。这些特性使SPs广泛用于敏感传感器,完美吸收体,超分辨率纳米光开关等领域。本论文利用软件FDTD,对设计的光子器件中的等离子体诱导吸收机理和应用进行研究,具体的研究内容和研究成果如下:(1)理论研究基于Drude模型的金属纳米结构的表面等离激元电磁诱导吸收效应。从波动方程出发,结合表面激发的色散关系和空间分布特性,讨论金属/绝缘体界面上的表面等离极化激元的基本性质,并对场约束程度的定量计算进行了详细的讨论。研究掺杂石墨烯体系在可见光和中红外波段的光学响应,探讨其支持的局域化和传导型表面等离激元的光学性质,并论证石墨烯表面等离激元的优越性。石墨烯具有良好的电光调制特性;掺杂的石墨烯可以在一个宽带范围内支持等离激元模式;石墨烯具有超高的电子迁移率,使其兼具优异的电学性能和光学性能。因此,基于这些突出的优势,石墨烯的引入不仅丰富了等离激元器件的设计方法还拓展了等离激元器件的应用领域。(2)理论设计基于金属表面等离激元的超材料完美吸收体。在二维仿真的基础上,展开对三维周期单元的结构优化设计。概述了纳米光子系统的诱导吸收。在理论上和数值上研究了表面等离激元EIA效应,并展示了在双层堆叠材料中的窄带完美吸收。吸收峰的线宽大于10nm,吸收率超过98%,耦合表现出近场和远场两种状态的特征。类-EIA系统在光频下表现出强大的电磁场增强能力,有利于提高光谱仪器的灵敏度。(3)理论设计基于石墨烯超材料的中红外可调近完美吸收器。我们提出并利用FDTD方法模拟了介质中(石墨烯)的三维非均匀垂直场。概述了经典电磁耦合诱导吸收的等离子体模型和纳米光子系统的超材料吸收。对等离子体吸收效应进行了数值研究,并在两层石墨层堆叠的超材料中表现出了窄带的完美吸收。该系统的一个吸引人的特点是吸收峰的宽度为160 nm,吸光度接近97.12%。值得注意的是,除了变化的几何参数外,吸收光谱还可以通过化学势的微小变化来动态调整。另此外,所提出的系统在中红外波长区域表现出强电磁场增强,这有利于提高光谱装置的灵敏度。
【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
【图文】：

几何结构图,平面光波导,几何结构图,电磁波方程

图 1.1 平面光波导的几何结构图示。文献[1输。电场分布可以定义为 ( , , ) (x y z E E 为相应传输方向的波矢。将这个表达式22 202( )( ) 0zkz EE (1.5)，同时对于可解析得到波传输过程中的色散特性和耦合过后的电磁波方程组可以改写如0000yzxx zyyxzyzxEEi Hy zE Ei Hz yEEi Hx yHHi Ey z

曲线,有效介电常数,吸收体,分量

据 SPP 波矢与波长的关系S P PS P Pk ,能够得到"0'd mS P Pd m (1中0 是入射波长，因此可以知道S P P 总是稍微小于真空中光波长。下图 1.2 是基于金属/绝缘质表面等离激元吸收体的有效介电常数的各分应波长变化的曲线。x ，y ，z 用来表示吸收体有效介电常数的分量。m 表属的相对介电常数。d 表示介质的相对介电常数[57-59]：( ) (1 ) ( )( ) ( )( ) (1 ) ( )x y m dm dzd mf ff f (1中， f 指的是金属的占有率， / ( )m m df t t t。从图 1.2 可以清楚地看到，0-800nm 波段R e ( ) ) 0 , Im ( ) ) 0x z（ eps （eps ，此特征材料可看作各向异性的材料，其吸波的机理与一般有损介质相似[60-61]。

曲线,能量约束,异质结,空气

02212( )4eff E 义材料的电场能量表达式。，其中 1/2 因子的引入是默认了振荡性。对于量化光与物质之间相互作用强度而言，例如把一个分位能量的电场强度是很重要的。气/Au 的 MIM 异质结构为例，图 1.3(a)曲线展示了自由空间nm 时，随间隙尺寸变化，对应激发的表面等离极化激元基模部与虚部的变化，计算中 Au 的介电函数利用德鲁特模型拟合972,Ordal et al,1983]。实部和虚部都随着间隙尺寸的减小二增近于极化激元激发时，在入射波长0 =600nm，850nm，1.5um况下存在于金属中的电场能量比例曲线。以间隙 20nm 为里，，这部分能达到能量的 40%。注意此间隙尺寸还是接近于场能量都会向金属区域转移。

【参考文献】