基于表面等離子體激元的紅外吸波超材料機理分析與設計研究.pdf

1、紅外吸波超材料在熱輻射控制、傳感以及探測等領域具有非常廣闊的發(fā)展前景和巨大的應用潛力，近幾年來迅速成為人工電磁結構材料領域的研究熱點。隨著電磁波頻段的不斷提升，紅外吸波超材料一方面呈現(xiàn)出新的電磁特性，展現(xiàn)出廣闊的研究空間；一方面也伴隨著更復雜的電磁現(xiàn)象，沖擊著現(xiàn)有的電磁耦合分析理論與手段。本文充分理解電磁耦合分析的重要性，嘗試引入更為有效便捷的電磁耦合分析方法。
　　本文基于傳統(tǒng)的三明治型金屬（光柵）-介質-金屬紅外吸波超材料模型

2、，引入多種電磁諧振機制，包括磁諧振、駐波以及表面等離子體激元，并且通過對三者頻譜特性的調控提升吸波性能。在分析方法上，采用嚴格耦合波法引入Floquet模式，建立Floquet模式與磁諧振、駐波以及表面等離子體基元之間的相互對應關系，提出基于Floquet模式分析和電磁邊界條件的電磁諧振機制分析方法，成功闡述了駐波與表面等離子體激元之間的耦合現(xiàn)象，形成了一條新的電磁耦合分析途徑。在吸波結構設計上，基于Floquet模式分析，通過合理的調

3、節(jié)駐波激發(fā)條件以及磁諧振激發(fā)波長，實現(xiàn)了不同紅外波段的寬帶吸波效果。本文主要工作如下：
　　（1）建立了Floquet模式與駐波/表面等離子體激元之間相互對應關系。對于TM0模駐波，其能量分布在Floquet模式的零模（即基模）ETM0,x，不存在Ez分量；對于TMi模駐波，其能量分布在Floquet模式的i th模ETMi,x或ETMi,z，存在兩個方向上的駐波，其中i=1,2,3…。對于TMi模表面等離子體激元，其能量分布在F

4、loquet模式的i th模ETMi,z。
　?。?）發(fā)現(xiàn)并解釋了三明治型紅外吸波超材料中基于界面效應的等效介質現(xiàn)象，當介質-金屬表面激發(fā)出表面等離子體激元時，如果介質材料層的厚度小于Floquet模式的i th模ETMi,z在介質材料層中的有效波長的1/4，ETMi,z會有一部分能量穿過金屬進入到空氣，形成由介質材料層與一定厚度的空氣組成的等效介質，當介質材料層的厚度接近ETMi,z在介質材料層中的1/4有效波長以后，表面等離子

5、體激元在空氣中的能量分布可以忽略，等效效應消失。
　　（3）提出了一種基于Floquet模式和電磁邊界條件的耦合分析方法，成功闡述了TM0模駐波與 TMi模表面等離子體激元之間的耦合現(xiàn)象，揭示了表面等離子體激元與駐波之間能量的轉移，并根據(jù)Floquet模式的分布情況建立恒等式，量化了能量轉移及其與表面等離子體激元吸收增強現(xiàn)象的矛盾關系，改變了表面等離子體激元激發(fā)波長與介質材料厚度無關的認知。
　　（4）提出了一種雙介質紅外吸

6、波超材料，通過調整金屬光柵的形貌，大幅減小了駐波激發(fā)對介質材料層的厚度要求。同時引入雙介質材料，減小空氣-介質表面的電磁反射，降低磁諧振的激發(fā)波長。通過合理的電磁參數(shù)與尺寸搭配，最終實現(xiàn)了磁諧振、駐波以及表面等離子體激元的耦合，分別在5μm-8μm和8μm-14μm波段實現(xiàn)了寬帶吸收。
　　本文提出的基于Floquet模式的耦合分析方法，有望簡化并量化對復雜電磁現(xiàn)象的分析，所提出的雙介質紅外吸波超材料，結構簡單，易于制作，寬帶吸波