Babinet超表面设计及其在表面等离子激元调控中的应用
发布时间：2020-03-28 22:54
【摘要】：表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在金属与介质界面上的一种电子与光子混合激发态。由于SPPs的场约束依赖于金属表层电子与波的强烈相互作用,可以将光波束缚在远小于波长的范围内,从而突破衍射极限。SPPs能够操纵光在纳米尺度上的传播和发散,在光电器件的集成等领域具有巨大的应用潜力。超表面是一种亚波长尺寸的人工电磁表面,能够对光的相位、幅度、极化等特性进行灵活控制,对于控制SPPs的波前和传播具有重大的优势。然而,现有的超表面往往将周期性金属图案放置在介质基板上,与SPPs所依赖的金属基板不兼容,难以有效地支持SPPs的传播及调控。针对这一难点,本论文提出了一种基于Babinet原理的C形孔径金属超表面,通过改变孔径的几何参数,可以改变其SPPs的色散特性,从而实现对SPPs的灵活调控。与线型孔径超表面控制SPPs的方法不同,本论文所提出的C形孔径金属超表面,所激发SPPs的辐射场幅度不随旋转角度变化,在空间中均匀分布。通过选取合适的结构参数以及旋转角度,这种C型孔径金属超表面能够对不同极化入射波激发出不同的SPPs波前相位,从而调控SPPs的辐射方向。通过仿真验证,实现了 SPPs的定向传播、聚焦/发散等功能,为控制SPPs的激发与传播提供了新的思路。进一步,本文提出了一种基于可重构超表面的微波吸波器件。通过将不同的直流偏置电压施加于内嵌在单元结构中的变容二极管两端,进而实现对每个单元结构电磁响应的独立调控。将超表面等效成天线阵列,针对不同入射电磁波优化出相应的超表面空间相位矩阵,可以实现异常反射、隐身和吸波等功能。这种结构设计简单、易于加工、可集成性高,在调控电磁波方面具有重要应用价值。
【图文】：
表面等离激元学［１＿３］是近年来研究十分活跃的一门光学分支学科。ＳＰＰｓ是存在于金属逡逑与介质（通常是空气）交界面上的一种混合激发态，并沿着金属－介质界面传播。这种混合逡逑激发态由自由振荡的电子与金属表面的光子相互作用产生。如图１．１所示，由于ＳＰＰｓ的逡逑场约束依赖于金属表层电子与波的强烈相互作用，这种强烈的相互作用能够实现亚波长范逡逑围内的约束，从而突破衍射极限［４］。此外，这种强有力的场约束能够显著增强ＳＰＰｓ与金属逡逑界面处的电磁辐射间的共振，使界面局部处的场产生增强响应，导致显著增强的光学近场。逡逑ａ逦ｂ邋ｚ“逡逑Ｚ邋＼逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾逦卜＼逡逑＼邋丨遍遍Ａｌｆｆ邋＇逦ｉ逦ＩＥ七逡逑Ｉ邋＋＋＋ｓ＾逦Ｔ邋Ｋｒ逡逑Ｍｅｔａｌ逦＾逡逑图１．１局域在表面（界面）附近的电子密度振荡。（ａ）金属与介质表面的电磁场及表面电荷分布示意逡逑图；（ｂ）电场分量在分界面增强，并沿着垂直分界面方向衰减。Ｗ逡逑一旦光入射在平坦的金属表面上并被转换成ＳＰＰｓ模式，就会以ＳＰＰｓ模式在金属表面逡逑传播。但是，由于金属吸收特性引起的损耗，ＳＰＰｓ会在传播过程中逐渐衰减。因此，ＳＰＰｓ逡逑的传播长度由复数ＳＰＰｓ波矢的虚部所决定，其中＝Ａ：ｓｐｐｒ邋＋邋ｉｆｃｓｐｐｐ逡逑基于ＳＰＰｓ的色散关系
度降低到其起始值的１／ｅ的距离。由式（１．２）可得，ＳＰＰｓ的传播长度通常取决于金属的介电逡逑常数和入射波的波长。例如，对于相对损耗大的金属，如错，在５００邋ｎｍ的波长下传播长逡逑度为２（ａｍ，而对于低损耗的金属，如银，在相同的波长下传播长度能达到２０ｊｉｍ（如图１．２逡逑所示）。此外，对于较长的入射波长，例如近红外波长１．５５ｐｍ，银的传播长度能够增加到逡逑１ｍｍ。由此对比可知，ＳＰＰｓ的传播长度随金属的相对损耗的增大而减小，随入射波长的逡逑增大而增加。与此同时，由于隧穿距离的增加，ＳＰＰｓ激发效率也会随金属厚度的增加而降逡逑低。逡逑１０ｎｍ邋１００ｎｍ１ｎｍ邋１０邋ｎｍ邋１００邋ｎｍ邋１邋ｍｍ逡逑ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑Ｓｍ邋曑逦逦逦邋Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ邋ａｔ邋０．５逡逑逦Ｓｉｌｖｅｒ邋ａｔ邋１．５邋ｕｍ逡逑Ｓｄ邋＝＝＝＾逡逑入＝＝±＾逡逑§ＳＰ逦逦．逡逑图１．２ＳＰＰｓ在银和铝之间的传播长度的比较。５ＴＯ、５ｄ分别是在金属及介质中电场强度降低到其起始逡逑值的１／ｅ的距离Ｗ。逡逑ＳＰＰｓ存在于金属表面，在金属表面处产生最高强度的场强，并在其垂直方向上逐渐衰逡逑减。由于其独特的电磁及光学性质，ＳＰＰｓ成为了实现纳米尺度下光电器件的绝佳途径，为逡逑光电器件的集成化提供了新颖可行的方法，由此也吸引了国内外众多学者的目光，与ＳＰＰｓ逡逑相关的理论、实验和应用等方面的研究迅速成为了当前研究领域的热点。逡逑ＳＰＰｓ虽然能够实现纳米尺度的光场限制，但由于其本身是表面波，ＳＰＰｓ的产生需要逡逑介电常数为负的材料。在自然界材料中
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15
本文编号：2605025
【图文】：
表面等离激元学［１＿３］是近年来研究十分活跃的一门光学分支学科。ＳＰＰｓ是存在于金属逡逑与介质（通常是空气）交界面上的一种混合激发态，并沿着金属－介质界面传播。这种混合逡逑激发态由自由振荡的电子与金属表面的光子相互作用产生。如图１．１所示，由于ＳＰＰｓ的逡逑场约束依赖于金属表层电子与波的强烈相互作用，这种强烈的相互作用能够实现亚波长范逡逑围内的约束，从而突破衍射极限［４］。此外，这种强有力的场约束能够显著增强ＳＰＰｓ与金属逡逑界面处的电磁辐射间的共振，使界面局部处的场产生增强响应，导致显著增强的光学近场。逡逑ａ逦ｂ邋ｚ“逡逑Ｚ邋＼逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾逦卜＼逡逑＼邋丨遍遍Ａｌｆｆ邋＇逦ｉ逦ＩＥ七逡逑Ｉ邋＋＋＋ｓ＾逦Ｔ邋Ｋｒ逡逑Ｍｅｔａｌ逦＾逡逑图１．１局域在表面（界面）附近的电子密度振荡。（ａ）金属与介质表面的电磁场及表面电荷分布示意逡逑图；（ｂ）电场分量在分界面增强，并沿着垂直分界面方向衰减。Ｗ逡逑一旦光入射在平坦的金属表面上并被转换成ＳＰＰｓ模式，就会以ＳＰＰｓ模式在金属表面逡逑传播。但是，由于金属吸收特性引起的损耗，ＳＰＰｓ会在传播过程中逐渐衰减。因此，ＳＰＰｓ逡逑的传播长度由复数ＳＰＰｓ波矢的虚部所决定，其中＝Ａ：ｓｐｐｒ邋＋邋ｉｆｃｓｐｐｐ逡逑基于ＳＰＰｓ的色散关系
度降低到其起始值的１／ｅ的距离。由式（１．２）可得，ＳＰＰｓ的传播长度通常取决于金属的介电逡逑常数和入射波的波长。例如，对于相对损耗大的金属，如错，在５００邋ｎｍ的波长下传播长逡逑度为２（ａｍ，而对于低损耗的金属，如银，在相同的波长下传播长度能达到２０ｊｉｍ（如图１．２逡逑所示）。此外，对于较长的入射波长，例如近红外波长１．５５ｐｍ，银的传播长度能够增加到逡逑１ｍｍ。由此对比可知，ＳＰＰｓ的传播长度随金属的相对损耗的增大而减小，随入射波长的逡逑增大而增加。与此同时，由于隧穿距离的增加，ＳＰＰｓ激发效率也会随金属厚度的增加而降逡逑低。逡逑１０ｎｍ邋１００ｎｍ１ｎｍ邋１０邋ｎｍ邋１００邋ｎｍ邋１邋ｍｍ逡逑ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑Ｓｍ邋曑逦逦逦邋Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ邋ａｔ邋０．５逡逑逦Ｓｉｌｖｅｒ邋ａｔ邋１．５邋ｕｍ逡逑Ｓｄ邋＝＝＝＾逡逑入＝＝±＾逡逑§ＳＰ逦逦．逡逑图１．２ＳＰＰｓ在银和铝之间的传播长度的比较。５ＴＯ、５ｄ分别是在金属及介质中电场强度降低到其起始逡逑值的１／ｅ的距离Ｗ。逡逑ＳＰＰｓ存在于金属表面，在金属表面处产生最高强度的场强，并在其垂直方向上逐渐衰逡逑减。由于其独特的电磁及光学性质，ＳＰＰｓ成为了实现纳米尺度下光电器件的绝佳途径，为逡逑光电器件的集成化提供了新颖可行的方法，由此也吸引了国内外众多学者的目光，与ＳＰＰｓ逡逑相关的理论、实验和应用等方面的研究迅速成为了当前研究领域的热点。逡逑ＳＰＰｓ虽然能够实现纳米尺度的光场限制，但由于其本身是表面波，ＳＰＰｓ的产生需要逡逑介电常数为负的材料。在自然界材料中
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15
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，本文编号：2605025
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