超宽带中红外超材料吸收器的光学性能研究
发布时间：2021-01-24 22:43
电磁超材料是一种依赖于人工结构来实现超常电磁响应的复合型材料。超材料超常的电磁性质不仅与材料的属性相关,更与人工结构的形状、结构的尺寸、以及结构的排列方式密切相关,因此电磁超材料的设计非常灵活。由于电磁超材料吸收器在性能与设计上的双重优势,使之在微波、太赫兹、近红外以及可见光波段都得到了广泛的研究,其中红外超材料吸收器在红外探测技术、红外成像、红外隐身、热光伏、太阳能电池,以及敏感探测等领域具有非常广阔的发展前景和巨大的应用潜力,近几年来迅速成为人工电磁结构材料领域的研究热点。随着研究的进展,电磁超材料吸收器的带宽问题引起大家的广泛关注。由于电磁超材料吸收器的谐振特性,其吸收频率与其结构密切相关,表现为大多数结构均为窄带吸收。迄今为止,国内外各个研究团队提出了各种宽带中红外超材料吸收器,采用的主要方法是将不同尺寸的单元结构组合在一个周期结构里面,根据结构的谐振特性,一个尺寸的单元结构对应一个吸收峰,因而多尺寸的单元结构组合起来就能产生一个吸收带,这种方法能有效地拓展带宽,但是拓展之后的带宽仍不足,平均吸收率仍有提升空间;且多尺寸的图案化结构增加了制备工艺的复杂度和难度。因此,采用单一尺...
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超材料的效果图及样品图[12-14]
床牧系谋砻嫘枰?迪肿杩蛊ヅ洌?庋?绱挪ň】赡艿亟?胛?掌髂诓浚灰?爰跣⊥干洌?那么需要使用具有较好的衰减特性的材料，这样进入吸收器的电磁波会快速地衰减[20]。因此，大多数的电磁超材料吸收器的结构主要由三部分组成[21-28]，分别是阻挡电磁波透射的底层反射金属（Metal），支撑顶层图案化金属结构的中间介质层（Insulator)，以及顶层图案化金属（Metal）结构，简称MIM结构。其实，早在1934年，一位叫Woltersdorff[29]的德国科学家已发现，适当厚度的纳米金属薄膜可以实现强烈地电磁吸收，最高吸收率近50%，如图1.2所示。图1.2纳米尺度单层金属的吸收特性[29]2008年，波士顿大学的W.J.Padilla[30]等首次设计出电磁超材料吸收器，实现了一种超薄的高性能超材料吸收器，如图1.3所示。该吸收器的单元结构由三层组成，最底层是金属片，为了阻挡入射电磁波透过吸收器，故让金属片的厚度大于入射电磁波在其中的趋肤深度；中间是一层介质层；介质层上方是由金属做成的电谐振器，而其单元结构是由外侧的金属环和内侧的金属线构成，构成一个开口的“日”字形结构。该吸收器的整体厚度仅有0.2mm，在11.5GHz处实现了近完美吸收，其吸收率近99%。
1绪论3图1.3电磁超材料吸收器结构示意图与光学特性[30]这种三层结构的吸收器，它的吸收机理是利用入射电磁波与电谐振环的电场共振来吸收电磁波的电场分量，而上下两层金属形成的磁偶极子共振吸收电磁波的磁场分量。这样电磁波的电场分量和磁场分量都被强烈地局域在此吸收器中，既不会反射电磁波，也不会透射电磁波，从而实现近完美吸收。自此，超材料吸收器吸引了学者们的诸多关注，各种各样的吸收器应运而生。同年，Padilla等人[31]在太赫兹波段设计并制备了类似结构，如图1.4（a）和（b）所示，他证明这类吸收器可以通过改变尺寸来调控吸收器的工作波段，并发现通过一定的优化，该材料在大入射角范围内也能实现较好的吸收性能，尤其是在横磁极化的电磁波在80°斜入射时，该吸收器的吸收率仍大于99%。图1.4超材料吸收器结构示意图及其吸收谱[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPPs的方形凹环结构MIM滤波器设计[J]. 刘海瑞,张冠茂,王志爽,乔利涛. 光子学报. 2018(02)
[2]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[3]基于L形谐振腔MIM波导结构滤波特性的研究[J]. 庞绍芳,屈世显,张永元,解忧,郝丽梅. 光学学报. 2015(06)
[4]双节MIM结构表面等离子体窄带光学滤波器[J]. 罗昕,邹喜华,温坤华,潘炜,闫连山,李孝峰. 光学学报. 2013(11)
[5]吸波材料研究现状及碳团簇型吸波材料设计[J]. 徐国亮,蒋刚,朱正和. 原子与分子物理学报. 2004(S1)
博士论文
[1]亚波长结构材料的宽带频率响应特性研究[D]. 蒲明博.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]基于石墨烯超材料的可调电磁吸收器研究[D]. 王凤玲.四川师范大学 2019
[2]图案化MIM结构多波段相干完美吸收的特性研究[D]. 黄莎.四川师范大学 2019
[3]基于电磁超材料的宽带吸收器的研究[D]. 陈思羽.兰州大学 2019
[4]基于高折射率金属/介质/金属超材料吸收器的研究[D]. 李凌云.电子科技大学 2019
本文编号：2998064
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超材料的效果图及样品图[12-14]
床牧系谋砻嫘枰?迪肿杩蛊ヅ洌?庋?绱挪ň】赡艿亟?胛?掌髂诓浚灰?爰跣⊥干洌?那么需要使用具有较好的衰减特性的材料，这样进入吸收器的电磁波会快速地衰减[20]。因此，大多数的电磁超材料吸收器的结构主要由三部分组成[21-28]，分别是阻挡电磁波透射的底层反射金属（Metal），支撑顶层图案化金属结构的中间介质层（Insulator)，以及顶层图案化金属（Metal）结构，简称MIM结构。其实，早在1934年，一位叫Woltersdorff[29]的德国科学家已发现，适当厚度的纳米金属薄膜可以实现强烈地电磁吸收，最高吸收率近50%，如图1.2所示。图1.2纳米尺度单层金属的吸收特性[29]2008年，波士顿大学的W.J.Padilla[30]等首次设计出电磁超材料吸收器，实现了一种超薄的高性能超材料吸收器，如图1.3所示。该吸收器的单元结构由三层组成，最底层是金属片，为了阻挡入射电磁波透过吸收器，故让金属片的厚度大于入射电磁波在其中的趋肤深度；中间是一层介质层；介质层上方是由金属做成的电谐振器，而其单元结构是由外侧的金属环和内侧的金属线构成，构成一个开口的“日”字形结构。该吸收器的整体厚度仅有0.2mm，在11.5GHz处实现了近完美吸收，其吸收率近99%。
1绪论3图1.3电磁超材料吸收器结构示意图与光学特性[30]这种三层结构的吸收器，它的吸收机理是利用入射电磁波与电谐振环的电场共振来吸收电磁波的电场分量，而上下两层金属形成的磁偶极子共振吸收电磁波的磁场分量。这样电磁波的电场分量和磁场分量都被强烈地局域在此吸收器中，既不会反射电磁波，也不会透射电磁波，从而实现近完美吸收。自此，超材料吸收器吸引了学者们的诸多关注，各种各样的吸收器应运而生。同年，Padilla等人[31]在太赫兹波段设计并制备了类似结构，如图1.4（a）和（b）所示，他证明这类吸收器可以通过改变尺寸来调控吸收器的工作波段，并发现通过一定的优化，该材料在大入射角范围内也能实现较好的吸收性能，尤其是在横磁极化的电磁波在80°斜入射时，该吸收器的吸收率仍大于99%。图1.4超材料吸收器结构示意图及其吸收谱[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPPs的方形凹环结构MIM滤波器设计[J]. 刘海瑞,张冠茂,王志爽,乔利涛. 光子学报. 2018(02)
[2]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[3]基于L形谐振腔MIM波导结构滤波特性的研究[J]. 庞绍芳,屈世显,张永元,解忧,郝丽梅. 光学学报. 2015(06)
[4]双节MIM结构表面等离子体窄带光学滤波器[J]. 罗昕,邹喜华,温坤华,潘炜,闫连山,李孝峰. 光学学报. 2013(11)
[5]吸波材料研究现状及碳团簇型吸波材料设计[J]. 徐国亮,蒋刚,朱正和. 原子与分子物理学报. 2004(S1)
博士论文
[1]亚波长结构材料的宽带频率响应特性研究[D]. 蒲明博.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]基于石墨烯超材料的可调电磁吸收器研究[D]. 王凤玲.四川师范大学 2019
[2]图案化MIM结构多波段相干完美吸收的特性研究[D]. 黄莎.四川师范大学 2019
[3]基于电磁超材料的宽带吸收器的研究[D]. 陈思羽.兰州大学 2019
[4]基于高折射率金属/介质/金属超材料吸收器的研究[D]. 李凌云.电子科技大学 2019
本文编号：2998064
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