微纳结构的光学吸收和传播特性的理论和实验研究

发布时间：2020-04-14 23:10

【摘要】：对光的传播特性和光学吸收的操控一直是光学研究领域的重要课题。近年来,基于微纳结构调控的高性能可集成的光学器件研究吸引了越来越多的关注。本文重点研究了微纳结构对光的宽波带吸收以及角度滤波效应,从理论设计、数值仿真到实验制备和表征测量对基于微纳结构的高效的完美吸收和光学传播特性进行了系统研究。主要工作和创新点概括如下:(1)提出并实验证明了一种基于集成的硅与金属纳米柱米氏共振的大面积的超表面完美吸收器。与以往的结构和原理不同的是,这种超表面完美吸收器中,耦合的米氏共振来自于同一尺寸的两种不同材料的纳米柱(电介质和金属),不同材料的米氏共振互补地发生在不同波长处,从而实现了对整个可见光波段入射光的宽波带吸收。利用双光束全息曝光、反应离子刻蚀以及真空磁控溅射镀膜沉积实验制备了这种超表面完美吸收器。实验测量结果表明,实验制备的微纳结构尺寸与理论设计值很好地符合。在整个可见光波段(波长范围从400nm到760 nm)的与偏振无关的平均吸收率高达0.958。当入射角增加到70°时,平均吸收率依然能保持在0.912。这种超表面完美吸收器提供了一种实现大面积、超薄、易于制备的完美吸收器的有效途径。(2)提出并实验证明了一种基于米氏共振吸收增强的热电子光电探测器。利用银纳米柱阵列的米氏共振可以实现宽波带的高效吸收,再通过内光电效应,银吸收光产生的热电子跃迁到二氧化钛内产生光电流,从而实现了光电探测的功能。利用双光束全息曝光技术和离子束刻蚀技术制备了这种米氏共振吸收增强的光电探测器。实验测量结果表明,这种基于米氏共振的银纳米柱阵列完美吸收器在波长从400nm到800nm范围内的平均吸收率高达0.818。根据吸收率计算得到的光电转换效率在整个波段范围内大都在4%以上,在波长482nm处达到最大值9.371%。相比之下,传统的银-二氧化钛平板结构在这一波段的光电转换效率都不超过2%。这种基于银纳米柱阵列米氏共振吸收的光电探测器将在光电探测领域有着重要的应用和发展前景。(3)提出并实验证明了一种基于镍基底上同质外延生长的台阶式镍纳米柱米氏共振的柔性自支撑全金属完美吸收器(黑镍)。两套不同尺寸的台阶式镍纳米柱激发的米氏共振互补性地在整个可见光波段(波长从400nm到760nm)耦合,从而实现了在162nm超薄层内偏振无关的宽带完美吸收。使用双光束全息曝光和电镀技术制备了可以任意挤压和弯曲的黑镍片。实验表明,这种柔性超表面黑镍在整个可见光波段内偏振无关的平均吸收率高达0.972。当入射角增大到70°时,平均吸收率依然保持在0.815。(4)提出并实验证明了一种全介质的双层线型光栅实现对于线偏振入射光的角度滤波。在设计的共振波长处和TM波入射下,这种全介质双层光栅的透过率随入射角增大而急剧下降,当入射角大于12°时透过率为零,入射光几乎全部被反射,展现了优异的角度滤波特性。利用双光束曝光和真空磁控溅射镀膜技术制备了双层线型光栅角度滤波器。实验测量结果展示了这种角度滤波器高效的滤波性能。在波长632纳米处,一束发散光经过该角度滤波器后的发散角仅为7.76°,而正入射的光透过率高达0.959。这种超薄全介质角度滤波器非常易于大面积制备,在需要定向照明的光学领域以及图像整形处理方面有着重要的应用前景。(5)提出并实验证明了一种半导体工艺兼容的硅-二氧化硅全介质偏振无关的光子晶体角度滤波器。该光子晶体中p波与s波接近对称的方向性带隙确保了偏振无关的角度滤波,而优化的法布里-珀罗共振腔则保证了正入射下的高透过率。使用真空磁控溅射镀膜实现了该角度滤波器的大面积(5cm×5cm)制备。实验结果表明,在波长1550nm处,一束发散光经过该角度滤波器后的发散角仅有2.2°,而正入射时的透过率达到0.8。这种角度滤波器是一种实现角度滤波的有效方式,其半导体兼容、全介质、偏振无关以及易于制备的优点使其在照明、光束操纵、光耦合以及光通信方面有着重要的应用。
【图文】：

块板朝里的表面各自都镀有高反射率薄膜，并且相互平行；两板之间形成一层平行平板空气层。光就在这两个镀膜面之间的空气层内反复反射，形成多光束等倾干涉圆环。图1.2 法布里-珀罗标准具的示意图由于器件的旋转对称性，可以很容易地将像平面中的柱坐标系 r , 和傅立叶平面中的 , 互相转换，然后通过波矢和z轴之间的夹角θ来定义传播方向： 1 22 2sin （1.2）法布里-珀罗标准具的透过率由下式给出： 1222241 1 sin 21A FTR （1.3）其中A和R是平板的吸收率和反射率（通常情况下，由于吸收率A极小，为了方便计算，可以认为 A 0）。定义标准具的优化系数F为：F R 1 R （1.4）

可以通过激发其他模式的共振使其同时对两种偏振光入射产生吸收效应。图1.3（a）中由Yoon等人在2014年设计的一维光子光栅完美吸收器就实现了在400nm到700nm波段内偏振方向不敏感的吸收（图1.3（b））[28]。从光栅各方向截面的电场图（图1.3（c）（d）（e）（f））中可以看到，TE波和TM波激发了不同类型的共振模式，通过仔细调节光栅的几何参数，使这两种共振同时产生高吸收，就实现了偏振不敏感的完美吸收。图1.3（a）SiO2（二氧化硅）基底上α-Si（非晶硅）一维光栅完美吸收器的示意图。（b）该完美吸收器在400nm到700nm范围内不同高度时的吸收光谱。（c）和（d）分别是TM波入射时腔型共振中的横模和纵模。（e）和（f）分别是TE波入射时腔型共振中的横模和纵模。（2） 表面等离子共振基于腔型共振的完美吸收器存在着重要的缺陷，主要是因为其吸收性能往往与其深度有关，深度越深吸收性能越好，这极大地增加了其制备难度。而另一种完美吸收
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43

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本文编号：2627819