基于表面等離子體的寬波段納米天線(xiàn)與吸收器設(shè)計(jì).pdf

1、表面等離子體是入射波照射至金屬表面時(shí)與其表面自由電子相互作用產(chǎn)生的電磁波，這些研究已有100多年的歷史。通過(guò)對(duì)表面等離激子體模式的研究，逐漸實(shí)現(xiàn)了納米維度上光場(chǎng)的増強(qiáng)、傳導(dǎo)與聚焦等功能。近些年來(lái)，研究人員利用表面等離子體的近場(chǎng)增強(qiáng)特性制成光學(xué)吸收器件，并對(duì)其吸收及光場(chǎng)特性進(jìn)行深入研究?；诒砻娴入x子的光學(xué)吸收器在生物傳感、熱成像、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景與較強(qiáng)的實(shí)際意義。目前，一些光學(xué)吸收器件也被提出，但這些結(jié)構(gòu)普遍存在諧振點(diǎn)

2、少、吸收波段不寬、吸收效率不高等缺點(diǎn)。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，本文深入探索表面等離子體近場(chǎng)增強(qiáng)特性機(jī)理，設(shè)計(jì)了寬波段、高吸收率的納米天線(xiàn)與吸收器，利用FDTD方法研究和分析它們的吸收特性。論文主要工作如下：
　　首先，基于表面等離子體激發(fā)原理，設(shè)計(jì)了縫隙八木納米天線(xiàn)并研究其天線(xiàn)陣列的吸收特性。從縫隙八木天線(xiàn)單元輻射特性入手，研究天線(xiàn)表面等離子體產(chǎn)生條件與影響因素，結(jié)合天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)特性用于指導(dǎo)天線(xiàn)陣列的設(shè)計(jì)，并對(duì)其吸收特性進(jìn)行分析。通

3、過(guò)對(duì)天線(xiàn)單元遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的研究，隨著縫隙間距得增加，天線(xiàn)方向圖出現(xiàn)多個(gè)副瓣并產(chǎn)生新的輻射模式。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高階模式的局域表面等離子體的產(chǎn)生激發(fā)了新的輻射模式。通過(guò)對(duì)天線(xiàn)陣列的吸收特性研究表明，天線(xiàn)陣列在400-1500nm波段，具有較好的吸收特性，其平均吸收率可以達(dá)到60%?？p隙八木納米天線(xiàn)陣列吸收率受縫隙間距的影響，隨著縫隙間距的增加，其吸收率總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。此外，調(diào)整天線(xiàn)單元的厚度可以調(diào)整天線(xiàn)陣列的吸收波段。
　　其次，

4、為了提高吸收率與吸收帶寬。本文基于等效電路的建模方法，結(jié)合多層波導(dǎo)與諧振腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了超材料太陽(yáng)能吸收器與超材料納米環(huán)柱吸收器。探究幾何參數(shù)對(duì)吸收器吸收性能的影響，分析了寬波段下所設(shè)計(jì)的兩種吸收器的吸收率所受入射光的偏振角度及入射角度的影響。分析結(jié)果可以看出，兩種吸收器都具有寬波段、受偏振角度與入射角度影響小、吸收率高的特點(diǎn)。此外，本文還通過(guò)電場(chǎng)分布與磁場(chǎng)分布探索了兩種吸收器的吸收機(jī)理。結(jié)果表明，超材料太陽(yáng)能吸收器由于慢波效應(yīng)與局域表面

5、等離子體共振的共同作用使得吸收器400-1400nm波段下的平均吸收率達(dá)到94%。機(jī)理分析表明，超材料納米環(huán)柱吸收器除了有慢波效應(yīng)與局域表面等離子體共振的作用外，還有法布里伯羅共振，這些特性相互作用使吸收器在300-2000nm波段內(nèi)的平均吸收率可以達(dá)到95%。
　　本文設(shè)計(jì)的納米天線(xiàn)與吸收器在可見(jiàn)光與近紅外光波段內(nèi)具有較高的吸收率與良好的吸收特性，此研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)寬波段、高吸收的太陽(yáng)能納米板具有一定的參考價(jià)值，為解決清潔能源高效