金属光学天线及其相关器件研究

发布时间：2020-07-17 04:23

【摘要】：光学天线因其亚波长几何尺寸而主要工作于光频段,并且兼顾了传统天线对电磁波的调控性,因此在光波段并引入了新的物理涵义,受到了学术界的广泛关注。光学天线的物理特性主要表现为四个方面:近场增强、光频电磁波的损耗与吸收、光频电磁参量的调控、光热效应。本论文围绕光学天线为主题,基于上述四个物理特性进行研究并提出了对应器件的设计。本论文的主要工作内容归纳为如下几方面:(1)提出了一种分裂十字天线图案,金属-介质-金属结构的红外吸收体实现在红外波段的窄带吸收。这种天线是通过四根纳米棒呈X形放置,天线阵列下方分别为绝缘层与金属背板。结合数值仿真软件系统分析了天线几何参数对光谱响应的影响。基于该结构的窄线宽与近场增强特性,本论文提出了其在中红外波段的折射率传感器应用。最优化的天线参数在3.17μm的共振波长上实现39nm窄线宽且峰值吸收效率为96.5%,在光谱位移传感模式下优化后的等离子体吸收器可达到988/RIU的灵敏度,在单波长传感模式情况下品质因素高达3082。(2)提出了一种压电效应的电可调控型光学天线吸收体结构,并且系统地分析了这种压电可调型微光机电谐振腔的机理与调制深度。并在最后基于这种压电可调微光机电谐振腔的机理设计了一种空间光偏振态调控装置。在2.58μm波长的吸收峰半高宽为33nm,电压驱动压电薄膜进行调控,随着电压变大,可以实现光学天线的吸收峰峰位线性增大,在电压变化量为10V的情况下可实现波长线性增大250nm。并且当光学天线占空比大于0.9时,仅需1V的驱动电压即可实现在固定波长的75%的吸收率。(3)提出了一种天线集成式热形变探测器及其偏振态探测结构,该结构由两层热膨胀系数不同的材料组成,通过集成于其中的光学天线对红外波段辐射的选择性吸收实现光-热的转化,对应红外辐射的强度最终反映在两层膜由于热膨胀系数不同而发生不同程度的弯曲。本论文系统分析了天线结构的光谱特性、装置结构的热噪声、背景噪声与机械振动噪声。最后针对这种热形变探测的机理设计了一种天线集成式阵列像素偏振探测器。集成的纳米天线被调谐在6μm实现最大的吸收,并研究得到采用PMMA与氮化硅材料的双层膜悬臂梁结构可以实现最优的响应性与噪声性能。(4)提出了一种天线集成式红外热释电探测器,采用钽酸锂薄膜作为热敏材料,通过半导体工艺在薄膜表面制备MIM结构光学天线阵列,系统地分析了光谱特性与天线几何尺寸之间的关系并对半导体工艺参数进行调优,使用傅里叶红外光谱仪(FTIR)对样片进行了光学吸收谱的测试,并将测试谱与阵列结构的仿真吸收谱进行了比对分析,同时使用扫描电镜(SEM)对样片分别进行了表面形貌的测量并与仿真设计尺寸进行了比对分析;探讨了器件结构的瞬态/稳态热响应,并针对同等功率输入条件下器件的信号电流进行了理论计算,并详细探讨了影响器件性能的各项因素。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820
【图文】：

电磁波谱,天线结构

华中科技大学博士学位论文一数量级时，会表现出近场增强、电磁损耗与吸收、光学参量调控等特殊物理现]，并由此引申出光学天线的概念，成为了学术研究热点。如图 1.1 所示为天线在整个电磁波谱的应用与特性。由于麦克斯韦方程组在从无线电波到紫外光的整磁波谱的范围内都是成立的，因此通过调整天线的物理尺寸可以实现全谱范围内用[11,12]。

示意图,天线结构,电子束曝光,剥离工艺

华中科技大学博士学位论文粒子在样本表面实现在超衍射极限的光学成像。1985 年，Jone Wessel 首次提出了金颗粒天线理论模型[16]。而首次实验验证直到 1995 年由 Dieter 和 Ulrich Fischer 使用金涂层聚苯乙烯完成。在随后的几年以金属尖形状所设计的光学天线广泛应用于近场显微镜和光谱学的研究中[17]。而这些研究成果催生了近场光学显微镜。值得注意的是早在 1968 年天线就被用于红外辐射探测，随着研究的持续深入各种红外天线的几何结构都被系统地研究过了。在 1997 年提出可用于近场光探测的领结型天线，最初的原理证明实验是在微波频段实现，后续的实验中，领结型天线是在原子力显微镜的尖端制作的，随着发展研究人员开始探索天线的各种几何形状具体结构如图 1.2 所示。

示意图,表面等离激元,介质界面,金属

表面等离激元模式的结构，是介电常数为2 且为正数，金属介质界面传播的表面等离激元小于零（ 1Re 0），且体材以对 TE 模与 TM 模进行求解TE 模的求解方程为：22( )i xk zyH z A e e 22 20 21( )i xk zxE z iA k e e 210 2( )i xk zzE z A e e

【参考文献】