金屬介質薄膜結構的研究與制備.pdf

1、金屬薄膜是光學薄膜重要的組成部分，具有反射高、截止寬、偏振小、導電性、成本低(層數(shù)少)以及能激發(fā)表面等離子體激元(SPPs)等特點，因而在寬域反射器、太陽能收集器、寬帶消偏振器、傳感器和隔離電磁波等方面都有重要應用。本文主要涉及基于金屬薄膜制備技術的各種新型器件的研究，包括數(shù)值模擬計算方法和金屬介質薄膜結構特殊光子效應的理論研究以及金屬介質薄膜器件的制備和特性測試。對可見光區(qū)域金屬介質薄膜全角度透射濾光片，一維金屬介質周期薄膜中的負折射

2、、偏振分束和完全帶隙效應以及金屬薄膜近場成像進行了研究。研究結果主要包括：
　　 1．提出了金屬介質法布里—珀羅(FP)濾光片在TM偏振下選擇合適的參數(shù)可以實現(xiàn)全角度窄帶透射濾光。這個全角度透射帶是由于在任意入射角度下，光線在兩個金屬層/間隔層界面上的反射相移和在間隔層中的傳輸相移的總和剛好接近2π。采用Air/Ag/ZnS/Ag/Glass結構，在實驗上證實了全角度窄帶透射濾光；另外在結構中引入減反膜來增加濾光片的透射率。根據(jù)

3、高折射率介質材料和金屬的低角度效應，設計了一種新型窄帶濾光片，入射角度變化時中心波長移動較少，卻保持了較好的濾光特性。通過計算和實驗，證明該濾光片能在較大入射角和光錐角入射的自然光下實現(xiàn)比傳統(tǒng)介質FP窄帶濾光片更好的性能。研究了金屬介質周期薄膜結構的投影能帶圖，發(fā)現(xiàn)能在TM偏振下實現(xiàn)全角度寬帶透射濾光。利用電磁波理論中的邊界條件分析了其物理機理，并實驗制備了Ag/ZnS膜堆，驗證了其全角度濾光特性。使用合適的參數(shù)，該濾光片可以在不同的波

4、段實現(xiàn)全角度濾波。
　　 2．介紹了一維金屬介質周期結構中的負折射效應，并且利用數(shù)值方法實現(xiàn)了近似為—1的等效折射率。在考慮實際材料參數(shù)的情況下，分析了該結構的復Bloch波矢，表明材料吸收不只降低了結構的透射率，也改變了光在結構中的折射角；提出了另一種材料組合的結構，對吸收的影響不敏感但仍然具有接近—1的等效折射率。根據(jù)TM偏振光和TE偏振光在一維金屬介質周期結構中的不同折射現(xiàn)象，設計了偏振分束器。利用高斯光束頻譜展開法模擬了

5、該結構的分光特性，表明可以在寬波段寬角度實現(xiàn)雙透射式偏振分光。
　　 3．一維介質材料構成的結構只能實現(xiàn)部分帶隙，而我們發(fā)現(xiàn)一維金屬介質周期結構能在TM偏振下實現(xiàn)完全帶隙，限制結構中的光向任意方向傳播，這個完全帶隙是周期方向上Bragg散射和界面方向上的金屬—介質—金屬波導截止效應共同作用的結果；通過數(shù)學證明討論了實現(xiàn)完全帶隙的一個充分條件；并且利用傳輸矩陣法以及時域有限差分法模擬證實了該完全帶隙能在實際金屬介質材料中實現(xiàn)。