人工表面等离激元的Fano共振及三波段宽带带通滤波器的研究

发布时间：2019-05-13 08:39

【摘要】：表面等离激元是在金属颗粒中自由电子发生的共振,它具很多新颖的光学和电磁性质,例如使局域部分电磁场增强、对光的选择性吸收和散射,电磁波的亚波长束缚等。表面等离激元包括两种类型,传播型表面等离激元和局域型表面等离激元。前者是在金属薄膜和介质的界面上激发的表面等离激元,它可以沿着薄膜进行远距离传播,故称为传播表面等离激元。后者是金属颗粒中由于自由电子的震荡受到了尺寸的限制,所以称为局域表面等离激元。近年来,由于加工制备技术的发展和模拟分析方法的进展,对表面等离激元的机制的研究也随之逐渐深入,等离激元光子学也已经发展成为一门新兴的热点学科,并且在信息、能源、化学、生物等领域具有广阔的应用前景。本文通过基于时域有限差分法的商用软件CST进行仿真,用矢量网络分析仪进行实验验证,研究了螺旋单元的等离激元共振特征,螺旋粒子两体之间的耦合特征,螺旋五聚体的Fano共振特征,以及三波段宽带带通滤波器的设计、仿真、实验研究和原理分析。本文主要内容分为三个部分:(1)研究了螺旋结构单元和螺旋结构二聚体的表面等离激元共振形式和耦合规律。通过对仿真结果的分析,并用等离激元杂化理论加以解释,得出以下主要结论:螺旋二聚体存在正向耦合和反向耦合两种模式,反向耦合使辐射损耗降低从而导致共振线宽减小,而同向耦合使辐射损耗增大从而使共振线宽增大;耦合产生的反向耦合模式可以有效地提高传感质量因子。这些结论可以更好地认识表面等离激元的杂化作用,对复杂结构之间的耦合提供了分析思路。另外,利用人工表面等离激元的杂化效应可以显著提高传感器的传感质量因子,这为基于超材料的高灵敏传感器的结构设计提供了新的思路。(2)研究了螺旋结构五聚体的耦合共振情况,五聚体的共振模式可以分为两组,分别是电Fano共振磁Fano共振,两组共振都起源于中心粒子和周边四聚体的破坏性耦合。通过仿真和实验验证了螺旋五聚体结构上电磁Fano共振的存在。随着粒子间距增大,粒子间耦合作用减小。磁Fano共振的强度对入射电磁波角度变化很敏感,而电Fano共振不受影响。螺旋五聚体具有高传感质量因子,在高灵敏传感器等方面有很多潜在的应用。(3)基于多个圆环嵌套的单元结构,设计、加工与测试了一种对偏振无依赖以及大角度入射稳定的三波段超材料宽带带通滤波器。仿真结果表明该滤波器存在三个通带,中心频率分别为7.22 GHz、10.10 GHz和14.46 GHz,3 dB相对带宽分别为17.5%,20.2%和17.4%,中心频率处透过率分别为-0.85 dB,-0.69 dB,-1.73 dB。单元结构具有旋转对称性,使得该滤波器对电磁波偏振不敏感,并且在入射角达到40°时,三个波段依然维持较好的稳定性。通过监测谐振频点处的表面电流分布情况,分析了三波段滤波的物理机理。这种带通滤波器具有多波段滤波、偏振无依赖以及大角度入射稳定等特性,有望在多频谱成像技术、信息通讯等领域发挥一定的作用。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB303;TN713

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