对数周期光学天线的近红外吸收特性研究

发布时间：2017-05-10 07:03

  本文关键词：对数周期光学天线的近红外吸收特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,金属纳米结构的吸收特性从THz到可见光波段的范围内得到了广泛而深入的研究,并且获得了良好的吸收效果,不过对入射光的偏振性和角度等条件的适应性方面存在一定的差异；而具有独特结构特征的对数周期天线,常用于微波波段的研究和应用,近两年也在红外波段得到了研究,不仅保持了其良好的带宽和增益等原有特性,还展现出在传感等应用潜力。而本论文则基于有限元方法(Finite-Element Method, FEM)对膜耦合对数周期光学天线吸收器件在近红外光波段的吸收特性,进行了系统性地数值建模和仿真研究,以实现并证明其潜在具备的良好吸收性能和潜在应用价值。数据显示,当入射光线以横电波模式(TE偏振)和横磁波模式(TM偏振)垂直入射时,该光学吸收器件均在波长为1280nm附近出现了最大的吸收特性,分别达到了95%和93%,并且能够同时实现两种模式吸收效率90%以上的理想吸收情况；而当光线非垂直入射时,该吸收峰仍能在±85°范围内保持60%以上的吸收效率。这表明,膜耦合对数周期光学吸收器件在近红外光波范围具有高效的吸收效率；并且,当光线垂直入射的条件时,该高效吸收峰与光线本身的偏振方向无关,体现出该结构适应外界条件方面的能力；同时,该高效吸收峰也能在入射光线的角度发生变化时显示出良好的广角特性,进一步增强了该结构对外界条件的兼容性,并与其他众多吸收器结构相比中展现出其优越性。本课题还借助电磁物理场的空间截面图以及对照组的设置,探讨并指明了膜耦合对数周期光学天线吸收器件能够具备高效吸收效率的原因,包括光学天线电荷集聚而产生的电场增强效应、天线与金属平面层在介质层间的磁场谐振效应；其中,前者更多决定了吸收器件的吸收效率,后者更多贡献于吸收峰的位置确定,即存在差异性的贡献。此外,研究中还发现该对数周期光学吸收器件具有高阶吸收峰特性：首先,在高阶吸收峰处展现出了明显的偏振选择特性,而该特性也由于结构旋转对称而具备一定的周期性；当光线非垂直入射时,仅有特定波长范围且在狭小的角度内的光线能够几乎完全地限制于该光波吸收器中,展现了该吸收器对特定波长和方向的选择特性。综上所述,本课题完成了对膜耦合对数周期光学吸收器件在近红外波段的吸收特性研究,证明了该吸收器结构能够呈现出完美的吸收特性(包括高效吸收率、偏振无关以及广角特性),点出了该吸收器结构具备的优质特性为光热发电、红外探测等领域提供了新的可行性方案和应用价值,最终通过系统的研究方案、充分的研究成果,实现了本课题的研究意义。
【关键词】：表面等离子光子学 光学吸收器 对数周期纳米天线 吸收
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 表面等离子激元的历史发展情况12
• 1.1.2 电磁波谱及各波段电磁波的形成机理12-14
• 1.2 表面等离子激元在光学吸收器件领域的研究进展14-15
• 1.3 对数周期天线在各电磁波段的研究进展15-16
• 1.4 金属-电介质-金属(MIM)结构的介绍与研究现状16-18
• 1.5 本论文的研究意义和主要内容18-20
• 第二章 表面等离子激元的基本概念和物理机制20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 表面等离子激元的分类情况20-21
• 2.3 表面等离子激元的色散关系推导和对应曲线21-24
• 2.3.1 金属材料的介电常数Drude模型21-22
• 2.3.2 金属-介质界面处的表面等离子激元特征22-24
• 2.4 表面等离子激元的特征参数24-25
• 2.4.1 表面等离子激元的横向波长λsp24-25
• 2.4.2 表面等离子激元的横向传播距离Lsp25
• 2.4.3 表面等离子激元的穿透深度δm和δd25
• 2.5 表面等离子激元的激发方式25-26
• 2.5.1 表面等离子激元的光学激发26
• 2.5.2 表面等离子激元的电子激发26
• 2.6 本章总结26-28
• 第三章 金属纳米光学天线的理论方法及校验实现28-36
• 3.1 引言28
• 3.2 金属纳米光学天线的理论计算方法28-32
• 3.2.1 有限元法(Finite Element Method,FEM)28-29
• 3.2.2 时域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method,FDTD)29-30
• 3.2.3 离散偶极子近似法(Discrete Dipole Approximation,DDA)30-31
• 3.2.4 边界元法(Boundary Element Method,BEM)31
• 3.2.5 严格耦合波分析法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)31-32
• 3.2.6 多重多极矩法(Multiple Multipole,MMP)32
• 3.2.7 矩量法(Moment Methods,MoM)32
• 3.3 基于仿真软件的有限元方法(FEM)的优化情况32-34
• 3.4 基于仿真软件的背景场法(BACKGROUND METHOD)的实现情况34-35
• 3.5 本章总结35-36
• 第四章 基于膜耦合对数周期光学吸收器件的吸收特性研究36-54
• 4.1 膜耦合对数周期光学吸收器件的结构介绍36-38
• 4.2 膜耦合对数周期光学吸收器件的数值仿真结果与分析38-48
• 4.2.1 膜耦合对数周期光学吸收器件的吸收特性曲线38-42
• 4.2.2 膜耦合对数周期光学吸收器件的几何参数规律结果分析42-45
• 4.2.3 膜耦合对数周期光学吸收器件在非垂直入射光线下的吸收特性情况45-48
• 4.3 膜耦合对数周期光学吸收器件的物理机制探讨48-52
• 4.3.1 膜耦合对数周期光学吸收器件的电磁场分布情况48-51
• 4.3.2 对照组：膜耦合三角形周期光学吸收器件的电磁场分布情况51-52
• 4.4 本章总结52-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 5.1 结论总结54-55
• 5.2 展望55-56
• 参考文献56-64
• 作者简历及在学成果64

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