光学超材料对黄光波段磁偶极子辐射提高的研究

发布时间：2017-10-03 08:18

  本文关键词：光学超材料对黄光波段磁偶极子辐射提高的研究

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【摘要】：超材料(Metamaterial)是一种由单位周期性排列形成的具有特殊电磁性能的人工合成材料。通过设计不同的单位结构形貌和尺寸参数,调节超材料的有效介电常数和磁导率的相互关系,即可实现诸如负折射等超自然现象。磁性超材料在某些频段可以使得结构的等效磁导率不为单位1,这主要是由于其在此频率具有一定的磁谐振效应。根据Purcell效应和费米黄金定律,磁谐振特性会引起周围光子态密度的改变,对此空间附近偶极子跃迁效率具有一定的影响。本文基于磁性超材料结构的谐振理论,利用有限元模拟软件对三明治光栅超材料影响磁偶极子自发辐射进行研究,并实验合成了具有磁偶极子跃迁的无机和有机稀土发光物。模拟上利用数值模拟方法设计了Ag-Al2O3-Ag的三明治光栅超材料结构,对TE模式和TM模式下该超材料结构的电磁谐振位置、强度进行了研究,论证了TM模式入射场可在三明治结构介质层中形成强烈的磁谐振热点;通过对结构的几何参数采取单一变量的方式研究其对磁谐振效应的影响,优化结构尺寸,证实了结构宽度为调控磁响应的决定性因素,并获得了在590nm附近80倍的磁场增强效果;通过文献结果复现确定了计算Purcell因子和辐射增强因子的基本方法,利用此方法得出,在590 nm附近的磁谐振的作用下磁偶极子Purcell因子和辐射增强因子分别达到175倍和90倍,这在目前的可见光波段的磁偶极子辐射增强是从未达到的;通过改变结构宽度和磁偶极子的设置位置,证明了磁偶极子辐射增强对于三明治光栅结构的尺寸和空间的不敏感性,同时验证了三明治结构的制备形状误差对偶极子辐射影响较小。实验上通过燃烧合成法制备出在无机稀土发光物Y2O3:Eu3+,通过320nm激光激发得到其在590 nm附近的磁偶极子跃迁峰;利用加热浓缩法合成有机稀土配合物Eu(HFA)3,相比无机物而言,其磁偶极子辐射谱线同样位于590 nm附近且频谱更宽。最后根据三明治结构的尺寸和结构特点,设计了刻蚀法和剥离法两种微纳加工的基本流程。
【关键词】：超材料 磁谐振 磁偶极子 稀土发光
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;O441
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 超材料简介9-13
• 1.3 超材料对偶极子辐射调控的研究现状及分析13-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 超材料调控偶极子辐射原理21-30
• 2.1 引言21
• 2.2 超材料结构的数值模拟21-25
• 2.2.1 超材料电磁计算问题的基本原理21-22
• 2.2.2 超材料结构电磁波计算的数值模拟22-24
• 2.2.3 利用COMSOL Multiphysics设计超材料结构基本方法24-25
• 2.3 超材料结构对偶极子辐射调控的机理25-29
• 2.3.1 表面等离子体25-27
• 2.3.2 表面等离子体对偶极子辐射的影响27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 磁谐振对偶极子辐射调控的仿真30-50
• 3.1 引言30
• 3.2 三明治结构简介30-32
• 3.3 三明治结构谐振特性32-36
• 3.3.1 TE平面入射波下的三明治结构谐振特性32-33
• 3.3.2 TM平面入射波下的三明治结构谐振特性33-36
• 3.4 三明治结构谐振对几何参数的敏感度36-42
• 3.5 偶极子辐射增强因子的计算42-49
• 3.5.1 近场和远场辐射增强因子计算方法验证42-44
• 3.5.2 辐射增强因子与谐振强度相互关系44-46
• 3.5.3 空间分布和结构形状对增强因子的影响46-48
• 3.5.4 磁偶极子辐射增强的成因验证48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第4章 稀土发光材料的合成和超材料结构的制备50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 磁偶极子发光材料的合成50-56
• 4.2.1 稀土元素的偶极子跃迁能级理论51-52
• 4.2.2 无机稀土发光材料的制备52-54
• 4.2.3 有机稀土发光材料的制备54-56
• 4.3 三明治超材料结构的制备56-59
• 4.4 本章小结59-61
• 结论61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-68
• 致谢68

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本文编号：964151