基于极值异向介质的表面等离子激元隐身器件研究

发布时间：2020-07-18 18:06

【摘要】：表面等离子激元(SPPs)是产生于金属和介质界面处的一种振荡的电磁波。它可以沿着界面的水平方向传播,而其能量局限于金属表面并沿界面的垂直方向呈指数衰减。SPPs凭借其能突破衍射极限、局域分布等特性,在生物传感、集成电路等方面得到了广泛的应用。小型化是光电器件的发展趋势,SPPs用于光电器件,有望将光电器件尺度缩小至纳米级。然而,SPPs在传播过程中遇到弯角或者小的斜坡都会引起极大的散射,而设计小型化器件时,无法给SPPs提供直线型的传播路径,严重降低其传输效率。因此如何引导SPPs无损绕过弯角或斜坡,已成为该领域亟需解决的问题。针对这一难题,本文提出利用极值异向介质设计SPPs隐身器件的方法。通过设计极值异向介质,控制SPPs的传播轨迹,使其无损绕过障碍物,从而有望解决这一关键问题。本文利用该介质的无衍射特性,从理论上分析其透射率,得出全透射条件公式。基于此公式,本文设计出了三种隐身器件,并对它们进行了仿真验证。考虑到光频段实验的复杂性,利用人工表面等离子激元(SpoofSPPs),作者在微波频段对其中的两种隐身器件进行了实验验证。仿真及实验结果表明,本文提出的SPPs隐身器件能够有效地引导SPPs无损绕过障碍物,实现隐身效果。该器件的设计方法简单、鲁棒性强,设计出的隐身器件工作带宽大。本文提出的设计方法将有助于拓展操控SPPs及光子电路等方面的应用。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441
【图文】：

球形,麦克斯韦方程,区域,形式不变性

Ｐｅｎｄｒｙ的坐标变换方法主要借助于麦克斯韦方程的形式不变性，即通过变换逡逑之后，麦克斯韦方程依然与原来的形式一致，改变的只有对应坐标上的电磁参数。逡逑如图１．１所示，对自由空间进行坐标变换后形成一个球形区域（图１．１（ａ）红色区逡逑域）。电磁波在传播途中遇到该区域后，不会进入该区域，而是从周围绕行，绕逡逑过该区域后，电磁波又会按原来的方向继续向前传播。图１．１（ａ）中的蓝色区域即逡逑为通过坐标变换方法设计出的隐身器件，这种方法能在理论上实现完美的隐身。逡逑２逡逑

异向介质,闭合环,轴对称,二维

了这一介质在特定频段上的等效折射率为负数［２７］。在以上各种研究成果的指导逡逑下，国际上的研究者们对异向介质的研究产生了极大的热情，先后提出了多种具逡逑有不同性能的异向介质材料，如图１．２所示。这些介质都产生了很多奇特的现象，逡逑如逆古斯－汉森位移１２８，２９１、逆契伦科夫辐射［３Ｑ】、负折射【２７，３１，３２】等等。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑（ｄ）逦（ｅ）逦（ｆ）逦＿逡逑图１．２邋（ａ）邋—维ＳＲＲ／Ｒｏｄ型异向介质［３３］；邋（ｂ）二维ＳＲＲ／Ｒｏｄ型异向介质〖２７］；邋（ｃ）轴对称逡逑ＳＲＲ型异向介质【３４１；邋（ｄ）邋Ｏｍｅｇｅ型异向介质［３４］；邋（ｅ）邋Ｓ型异向介质（ｆ）闭合环型异向逡逑介质［３５】。逡逑目前设计出的异向介质，电磁参数绝大部分为各向异性，有些可能是双各向逡逑异性的。它可以用于很多新型电磁设备的设计，有着广泛的应用前景。２００３年，逡逑异向介质这项研究被《Ｓｃｉｅｎｃｅ》列入“十大科技突破”，可见异向介质对人类科学逡逑研究的重要性。逡逑１．３表面等离子激元简介逡逑表面等离子激元（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ＰｌａｓｍｏｎＰｏｌａｒｉｔｏｎｓ，筒称ＳＰＰｓ）作为一种表面波，逡逑是由金属表面上自由振动的光子和电子作用产生的。在金属表面处，其场强达到逡逑５逡逑

示意图,光伏器件,收集器,原理图

逑峰值，在界面的垂直方向上场强逐渐衰减。ＳＰＰｓ的应用研究领域遍及生物传感、逡逑光子学、太阳能生物电池等（如图１．３所示）。逡逑（ａ）逦（ｂ）邋ｎ邋ｉ邋１１１邋＾逡逑ｌｉｇｈｔ逦Ｉ逦＾逦．逦！邋３－０邋ｃＶ逡逑Ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｆｉｍｏｎａｎｌｓｎｒ＾逦ｉ邋？邋＜＊＇，１＂ｎ，＇，ｍ，ｎ．，ｉｍ＞逦＾１＂＂＂＂．＂＂；＊邋ｉ邋＂ＺＴ逡逑曹＊＂Ｖ？，g科％ｒ；－＜ｗｓｓｉ＾邋ｒ逡逑，灥、一邋夯一‘逡逑Ｓ？邋ｍｅｓａ逦逦逦｜逦■＿＿！}0＇＾＿１＆}瑁撸迾颹媙耐１邋灥媟咖？？ｉ丨＆ｉｉｉｉｌｉ邋Ｔ邋．逡逑＃幔簦瑁铮洌?逦Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ逦逦；逡逑｜邋ＥｌｅｃｔsE你．逦／￥，．．．ＥＬ．＾逦Ｉ＾Ｃ０ｎｔ３Ｃｔ逡逑＊邋－ＨＪＴｊｒＬ逦喻邋＊逦＼逦＼＊＾ｚ—＾逡逑Ｏｐｔｉｃａｌ邋ｗａｖｅ邋；ｎ逦＾邋■ａｒｙ？，．．１＾邋＾逦？／￣＼邋广＇■－0邋＇逡逑Ａｃｔｉｖｅ邋ｍａｔｅｒｉａ｝逡逑图１．３邋（ａ）使用ＳＰＰｓ设计光收集器的原理图Ｎｌ；邋（ｂ）使用ＳＰＰｓ设计光伏器件示意图Ｐ７〗。逡逑表面等离子激元的发展可以追溯到１９０２年，Ｗｏｏｄ在一次光学实验中，发逡逑现等离子激元之间存在共振现象［３８］。１９４１年，Ｆａｎｏ等人利用金属和空气界面上逡逑激发出的电磁波解释了邋Ｗｏｏｄ提出的共振现象［３９］。后来Ｒｉｔｃｈｉｅ发现

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