基于表面等離激元金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸收器的性質(zhì)研究.pdf

1、基于表面等離激元的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)超材料，可以將光場(chǎng)高度局域在納米尺度的中間介質(zhì)層微腔內(nèi)，同時(shí)在特定的共振頻段內(nèi)具有完美吸收和高增益的近場(chǎng)強(qiáng)度等光學(xué)特性，在表面增強(qiáng)分子光譜、太陽(yáng)能電池、生物傳感以及光學(xué)吸收器件的設(shè)計(jì)優(yōu)化等領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用和研究。本文的研究?jī)?nèi)容包括:金屬-介質(zhì)-金屬周期結(jié)構(gòu)超材料中表面等離激元的物理特性、完美吸收的物理機(jī)制以及介質(zhì)腔局域光場(chǎng)的形成機(jī)理和相關(guān)應(yīng)用問題。本論文采用有限元分析法(HFSS)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研

2、究。
　　本文的具體工作和研究結(jié)果主要有:
　　1、新穎地提出了金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)所形成的“圓柱體介質(zhì)微腔”的概念并利用數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)和研究了該結(jié)構(gòu)微腔的光學(xué)特性，尤其是準(zhǔn)確量化了微腔內(nèi)的能量密度。在正入射光的條件下，反射最小值(dip)落在中紅外區(qū)域，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其吸收率接近完美吸收，達(dá)到97％。此外，計(jì)算數(shù)據(jù)表明:這種亞波長(zhǎng)的多層結(jié)構(gòu)不僅可以將大部分的入射電磁場(chǎng)能量局域在中間介質(zhì)層，使其能量密度比增益高達(dá)到

3、104，并且能夠得到較高的品質(zhì)因子Q，而Q值越大，表明在中紅外波段的表面增強(qiáng)分子吸收光譜和特征分子振動(dòng)模式的共振峰的線寬越窄，也即具有更強(qiáng)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。再者，由于該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使其對(duì)入射光的極化方向具有不敏感的特性。
　　2、設(shè)計(jì)了三波段的上層(TOP)為同心圓環(huán)的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的完美吸收器，研究了在介質(zhì)腔內(nèi)所形成的“雙圓柱體介質(zhì)微腔”的近場(chǎng)增強(qiáng)和吸收特性。通過數(shù)值模擬分析和優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)反射最小值(dip)位置落在16

4、.65THz，20.65THz和25.65THz，其吸收率分別為95％，97％和95％，而且通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獨(dú)立或同時(shí)調(diào)制結(jié)構(gòu)的單個(gè)或多個(gè)共振頻率，極大地提高了調(diào)制效率和靈活性。經(jīng)計(jì)算，雙圓柱體介質(zhì)微腔內(nèi)的電磁場(chǎng)能量密度比增益高達(dá)105。此外，由于雙微腔結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，故對(duì)入射光的極化方向同樣具有不敏感的特性，而上述這些特點(diǎn)使其非常適合作為多共振波段表面增強(qiáng)分子光譜的增強(qiáng)基底。
　　3、研究了基于干涉原理的上層(TOP)為正