含透明导电薄膜光子晶体的增强吸收

发布时间:2018-01-01 06:35

  本文关键词:含透明导电薄膜光子晶体的增强吸收 出处:《山东大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文


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【摘要】:光子晶体是近年来发展迅速的一项纳米光学技术。利用光子晶体的优良特性可制作超棱镜、高效发光二极管、无阈值激光器、传感器、数据存储器等器件。近几年,能够完全吸收光波的光子器件应用广泛,目前可以实现光波增强的吸收机制主要有:表面等离子激元共振、光学Tamm态、F-P腔共振等。其中,表面等离子激元共振的原理是使光波局域在金属与介质交界面处,在界面处有明显的场增强。曾有人利用金属纳米颗粒激发出表面等离子激元共振实现了对光波的增强吸收,大大提高了其光电转换效率。光学Tamm态的原理则是由于金属中自由电子与光子相互作用,电磁场被局域在金属-介质分界面处。由于电磁场的高度局域,它在极化激元激光器、非线性光学器件等方面有潜在的应用价值。除此之外,F-P腔共振以及光学Tamm态的混合模式也可通过场局域进而实现增强吸收。我们利用F-P腔共振、光学Tamm态和表面等离子激元共振等机制来实现增强吸收,并基于此原理开展了一些增强吸收的研究。在文章第二部分,我们主要研究含金属的三明治结构在可见光范围实现多通道增强吸收。文中设计的三明治结构,由一个金属薄膜和一个光子晶体异质结构中间插入一个对称的光子晶体,发现可以在可见光范围实现多通道增强吸收,并且这种吸收器具有良好的单向性。我们调整吸收器的周期数,就可以实现从单重至多重通道增强吸收。通过分析电磁场的分布,我们发现,近完全吸收的物理机制主要来源于F-P腔共振、光学Tamm态或者是两者的共同作用。此外,我们还研究了吸收器的其他特性。光子晶体异质结构不仅可以替代金属材料作为高性能的反射镜来使用,减少了能量损耗,还可以选择禁带范围,使共振频率可调。改变金属薄膜的厚度、偏振态和入射角度会影响吸收频率和吸收率。在文章第三部分,我们主要研究在红外区域含透明导电薄膜光子晶体的增强吸收。含金属的光子晶体可激发出表面等离子激元共振和光学Tamm态,但由于金属损耗比较大,我们尝试使用透明导电薄膜ITO、GZO、AZO替换金属薄膜。首先,在可见光范围用包络线法计算出单层ITO、GZO、AZO薄膜的厚度,在近红外根据Drude模型分别拟合出ITO、GZO、AZO薄膜的介电常数。然后,分别设计了 Kretschmann 结构:Prism-SiO2-ITO,Prism-SiO2-GZO 以及Prism-SiO2-AZO,结果证明,在红外范围内,当光波以一定角度入射,在TM偏振态下就可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现在界面处磁场最强,说明含透明导电薄膜光子晶体可以激发出SPPs,实现增强吸收。最后,我们设计了结构:ITO-光子晶体、GZO-光子晶体以及AZO-光子晶体。证明,当光波正入射时,在红外范围内TE、TM偏振态下都可以实现近完全吸收。分析电磁场分布,发现是由于光学Tamm态作用的结果。证明了透明导电薄膜具有类金属的特性,在某一条件下也可以激发出SPPs和光学Tamm态。
[Abstract]:Photonic crystal is a nano optical technology develops rapidly in recent years. The excellent properties of photonic crystal can be made of super prism, light-emitting diode, thresholdless lasers, sensors, data memory and other devices. In recent years, able to absorb light photonic devices widely used at present, can absorb light to enhance the main mechanism a surface plasmon resonance, optical Tamm state, F-P cavity resonance and so on. Among them, the principle of surface plasmon resonance is the light wave localized on the metal dielectric interface, significant field enhancement at the interface. It has been the use of metal nanoparticles excited by surface plasmon resonance to achieve the light absorption enhancement, greatly improving the photoelectric conversion efficiency. The principle of optical Tamm state is due to the free electron and photon metal interaction, the electromagnetic field is localized on the metal medium The interface. Due to the highly localized electromagnetic field, it in the polariton laser has potential applications in nonlinear optical devices and so on. In addition, F-P and optical cavity resonance states Tamm mixed mode can realize local field enhanced absorption. We use F-P cavity resonance, optical Tamm state and surface plasmon resonance mechanism to achieve enhanced absorption, and the principle to carry out some research based on the enhanced absorption. In the second part, we mainly study the sandwich structure of metal containing multi-channel enhanced absorption in the visible range. The sandwich structure is designed in this paper, the insertion of a symmetric photonic crystal by a metal film and a photonic crystal heterostructures, that can achieve multi-channel enhanced absorption in the visible range, and has a good absorber. This way we adjust the absorption device The number of cycles, can be achieved from single to multi channel enhanced absorption. Through the analysis of electromagnetic field distribution, we found that the physical mechanism of nearly completely absorbed mainly derived from F-P cavity resonance, optical Tamm state or both. In addition, we also studied other properties of absorber heterostructure photonic crystal can not only. Instead of metal materials to be used as a mirror for high performance, reduce energy loss, can also choose the band range, the resonance frequency is adjustable. The change of metal film thickness, polarization and incident angle frequency will affect the absorption rate and absorption rate. In the third part, we mainly study the enhanced absorption in the infrared region with transparent conductive thin film photonic crystal. The photonic crystal containing metal can be excited by surface plasmon resonance and optical Tamm state, but because of the loss of metal is relatively large, we try to use transparent Guide Film ITO, GZO, AZO to replace the metal film. First of all, in the visible range by using the envelope method to calculate the single ITO, GZO, AZO in the near infrared film thickness, according to the Drude model were fitted by ITO, GZO, the dielectric constant of AZO thin films. Then, we have designed a Kretschmann structure: Prism-SiO2-ITO, Prism-SiO2-GZO and Prism-SiO2-AZO, results show that in the infrared range, when light at a certain incident angle, polarization in TM can be nearly completely absorbed. Analysis of the distribution of electromagnetic field at the interface, found in the strongest magnetic field, containing transparent conductive thin film photonic crystal can inspire SPPs, to achieve enhanced absorption. Finally, we design the structure ITO- GZO-: photonic crystals, photonic crystals and photonic crystals. AZO- proved that when light is incident in the infrared range TE, TM polarization can achieve nearly completely absorbed. Analysis of the electromagnetic field distribution is found by The results of the action of the optical Tamm state show that the transparent conductive film has the properties of metal like, and the SPPs and optical Tamm states can be excited under a certain condition.

【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O734;TB383.2

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本文编号:1363365

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