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，可以將光場高度局域在納米尺度的中間介質(zhì)層微腔內(nèi)，同時在特定的共振頻段內(nèi)具有完美吸收和高增益的近場強度等光學(xué)特性，在表面增強分子光譜、太陽能電池、生物傳感以及光學(xué)吸收器件的設(shè)計優(yōu)化等領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用和研究。本文的研究內(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、完美吸收的物理機制以及介質(zhì)腔局域光場的形成機理和相關(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，計算數(shù)據(jù)表明:這種亞波長的多層結(jié)構(gòu)不僅可以將大部分的入射電磁場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分子吸收光譜和特征分子振動模式的共振峰的線寬越窄，也即具有更強的電磁場增強效應(yīng)。再者，由于該結(jié)構(gòu)的對稱性，使其對入射光的極化方向具有不敏感的特性。
　　2、設(shè)計了三波段的上層(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”的近場增強和吸收特性。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)，可以獨立或同時調(diào)制結(jié)構(gòu)的單個或多個共振頻率，極大地提高了調(diào)制效率和靈活性。經(jīng)計算，雙圓柱體介質(zhì)微腔內(nèi)的電磁場能量密度比增益高達(dá)105。此外，由于雙微腔結(jié)構(gòu)的對稱性，故對入射光的極化方向同樣具有不敏感的特性，而上述這些特點使其非常適合作為多共振波段表面增強分子光譜的增強基底。
　　3、研究了基于干涉原理的上層(TOP)為正