宽带太赫兹极化转换和全金属光吸收超材料的设计与性能研究

发布时间：2018-04-17 14:17

本文选题：超材料 + 等离子体共振　；参考：《武汉理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：近年来,人工超材料因能通过单元结构设计来获得在自然材料中不存在的特异电磁性能受到研究者的高度关注,并发展出许多新颖的应用。特别是利用构筑的微纳米超材料中激发的表面等离子体效应,可以实现对太赫兹以及光波不同于寻常光学现象的独特调控。例如:用效率高、体积小的超材料实现对太赫兹电磁波的高效极化转化以及对可见光的宽带吸收,在探测、通信、感应以及光热、光伏等方面有很好的应用前景。然而,带宽较窄仍然是目前太赫兹电磁波极化转化领域的主要问题之一,限制了太赫兹技术的快速发展;而导热差制约了可见光吸收超材料的应用范围。在本文中,我们提出了新颖的具有渐变长边的叶片型极化转换超材料和全金属的吸波超材料,来分别实现对太赫兹电磁波的宽带高效线极化转换和对可见光的宽带吸收产热,并分析了作用机理。具体的研究内容和成果如下:首先,为突破现有超材料实现电磁波极化转化的必要条件之一:其反射场在正交方向上的电场分量具有π相位差,受超材料表面等离子体谐振线宽的限制而难于拓展工作带宽的问题,我们提出通过调控超材料的基频和3倍频等离子体谐振的频点间距和线宽,使之实现跨越两个谐振频段的连续π相位差,以满足宽带极化转换条件的方案,并进而设计出具有圆弧长边的叶片型宽带、高效太赫兹线极化转换超材料。研究了叶片结构长短轴、介质厚度和介电常数等对超材料极化转换性能的影响规律,并分析了作用机理。研究发现当超材料结构的周期单元尺寸为260μm、叶片长边为圆弧且叶片长短轴为165μm和57μm、介质层厚度为48μm时具有最佳的宽带线极化转换性能,此时其沿结构长边方向电场分量的相位具有相连的两个弛豫现象,从而使相位在三个频点处具有标准的π相位差,这优于其它形状超材料只在两个频点处具有标准的π相位差。仿真模拟和实测数据表明,该极化转化器在0.55 THz~1.15 THz频段极化转化率优于0.98,并且垂直极化率优于0.8。我们研究还发现通过对单元尺寸、长短轴尺寸和介质厚度等比例线性缩小,可实现更宽频段的太赫兹波线极化转换,具有优秀的可移植性。例如:当超材料结构缩小2.6倍,即单元尺寸为100μm时,极化转化器在1.25~2.75 THz频段内实现0.98左右的高极化转化率,工作带宽达到1.5 THz。其次,利用Ni金属的高熔点和高导热特性,我们设计了全金属的超材料结构来吸收可见光。全金属超材料由Ni金属环竖立在Ni的金属薄膜构成。我们研究了超材料结构单元的尺寸、金属环的高度以及壁厚等对吸收性能的影响规律,并在此基础上优化设计出在可见光全波段的吸波率达到95%以上的全金属超材料,且85%的频段吸波率达到98%。具体的结构参数为:结构单元尺寸为300nm,金属管的内径和外径分别为100 nm和150 nm,金属管的高度为140 nm。其宽带吸收可以用来源于金属结构对电磁波的局域等离子体共振作用形成了三个电流损耗回路来解释。研究还发现,该全金属结构超材料具有宽入射角适应特性,即光波入射角在0~50°范围内,在全可见光波段的吸波率均在90%以上。最后我们研究了超材料的热输出特性,发现在可见光照射下能输出216 的高温,并且超材料温度分布均匀、热应力小,预示其在光热领域有很好的潜在应用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG14;TB34

【参考文献】