基于表面等離子體激元的紅外吸波超材料機(jī)理分析與設(shè)計(jì)研究.pdf

1、紅外吸波超材料在熱輻射控制、傳感以及探測(cè)等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力，近幾年來(lái)迅速成為人工電磁結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(fù)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(zhì)-金屬紅外吸波超材料模型

2、，引入多種電磁諧振機(jī)制，包括磁諧振、駐波以及表面等離子體激元，并且通過(guò)對(duì)三者頻譜特性的調(diào)控提升吸波性能。在分析方法上，采用嚴(yán)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(duì)應(yīng)關(guān)系，提出基于Floquet模式分析和電磁邊界條件的電磁諧振機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，基于Floquet模式分析，通過(guò)合理的調(diào)

3、節(jié)駐波激發(fā)條件以及磁諧振激發(fā)波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了不同紅外波段的寬帶吸波效果。本文主要工作如下：
　?。?）建立了Floquet模式與駐波/表面等離子體激元之間相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)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(duì)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(gè)方向上的駐波，其中i=1,2,3…。對(duì)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(yīng)的等效介質(zhì)現(xiàn)象，當(dāng)介質(zhì)-金屬表面激發(fā)出表面等離子體激元時(shí)，如果介質(zhì)材料層的厚度小于Floquet模式的i th模ETMi,z在介質(zhì)材料層中的有效波長(zhǎng)的1/4，ETMi,z會(huì)有一部分能量穿過(guò)金屬進(jìn)入到空氣，形成由介質(zhì)材料層與一定厚度的空氣組成的等效介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)材料層的厚度接近ETMi,z在介質(zhì)材料層中的1/4有效波長(zhǎng)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(yīng)消失。
　?。?）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(zhuǎn)移，并根據(jù)Floquet模式的分布情況建立恒等式，量化了能量轉(zhuǎn)移及其與表面等離子體激元吸收增強(qiáng)現(xiàn)象的矛盾關(guān)系，改變了表面等離子體激元激發(fā)波長(zhǎng)與介質(zhì)材料厚度無(wú)關(guān)的認(rèn)知。
　?。?）提出了一種雙介質(zhì)紅外吸

6、波超材料，通過(guò)調(diào)整金屬光柵的形貌，大幅減小了駐波激發(fā)對(duì)介質(zhì)材料層的厚度要求。同時(shí)引入雙介質(zhì)材料，減小空氣-介質(zhì)表面的電磁反射，降低磁諧振的激發(fā)波長(zhǎng)。通過(guò)合理的電磁參數(shù)與尺寸搭配，最終實(shí)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(shí)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(jiǎn)化并量化對(duì)復(fù)雜電磁現(xiàn)象的分析，所提出的雙介質(zhì)紅外吸波超材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，寬帶吸波