【摘要】：超材料(Metamaterials,簡稱MMs)是一種具有超常物理性質的新型材料,可以表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的電磁特性,如人工磁性和負折射率等。近年來,與MMs相關的研究已經(jīng)引起了不少科學研究者的廣泛關注。但是,在大多數(shù)MMs器件的設計中,使用較多的是金屬結構,這造成了不可避免的吸收損耗,從而導致其性能下降。因此,研究人員做了很多工作來實現(xiàn)低損失的器件設備,如優(yōu)化結構的參數(shù)和使用增益材料等。在近些年,MMs完美吸收概念的提出開創(chuàng)了一項新的研究領域,這項研究使得吸收損耗變成了優(yōu)勢。本文基于表面等離激元的傳輸和相互作用,利用時域有限差分方法對構建的光子器件中的MMs吸收器在太赫茲波段和中紅外波段的吸收特性和機理進行深入地探討。本文的主要工作內容以及研究結果如下:在太赫茲頻段實現(xiàn)了一個多波段的完美吸收器,此吸收器是由一個帶有T形槽的方形金屬(上層)和金屬地板(下層)所組成的周期性結構,且這兩層金屬中間用一個絕緣層隔開。經(jīng)數(shù)值計算研究發(fā)現(xiàn),我們提出的結構形成了四個吸收光譜,共振頻率分別位于1.12 THz,2.49 THz,3.45 THz,3.91 THz,且它們的吸收率分別是98.0%,98.9%,98.7%和99.6%,幾乎達到了一個完美的吸收。此外,我們還證明了通過改變方形金屬帶的長度,吸收光譜具有單波段到寬帶的可調性。這樣,就可以選擇或調節(jié)到我們想要的頻率,更重要的是,品質因子(Q)在共振頻率為3.91 THz處的是30.1,這個數(shù)值是1.12 THz處Q值的5.5倍。通過進一步的模擬計算,證明了輻射場的極化角度對吸收特性有一定的敏感度。因此,這種結構在某些領域可以提供有益的幫助,如通過一些特定的方法控制光的偏振并檢測電磁波偏振。在中紅外波段附近,我們構造了一個H形的石墨烯條帶,然后把石墨烯放置在以金屬板為襯底的介質層上。模擬結果表明在H形的石墨烯條帶上激發(fā)了石墨烯表面等離激元,形成了兩個非常顯著的窄帶吸收光譜,共振頻率在6.3μm(模式1)和8.6μm(模式2)處,吸收率分別為99.65%和99.8%。這兩個吸收帶寬(FWHM)分別是90 nm和188 nm。通過電場圖分析得到模式1是由偶極子共振產(chǎn)生的,而另外一個光譜是由一個新的模式共振產(chǎn)生的,叫做雜化模式。在經(jīng)過進一步的計算后,我們得到一些更有意義的結果,如:吸收譜的位置可以通過調節(jié)介質層的折射率和改變石墨烯的費米能級而達到動態(tài)調節(jié)的目的。此外,我們還研究了多層石墨烯陣列的吸收特性,得到了多帶的吸收光譜。這些設計方法使我們能夠控制吸收光譜的數(shù)量,有利于制造納米光子器件,例如濾波器,熱探測器,和電磁波能量儲存等設備。提出了一種基于石墨烯的可動態(tài)調節(jié)光譜和極化不敏感的等離子體器件。為了實現(xiàn)對石墨烯表面等離子體的能量高度局域,我們使用一個硅光柵來激發(fā)石墨烯表面等離激元,以金屬板為襯底作為反射層,最終實現(xiàn)了一個完美吸收器。模擬結果顯示,此結構實現(xiàn)了兩個窄帶的吸收光譜。這種結構可以被用作高度可調的光調制器,因為它的共振波長可以通過改變石墨烯的費米能量來精確控制。此外,我們通過改變硅的周期和半徑來獲得多光譜吸收峰。在本文中,我們不僅使用無損的金屬鏡,而且還提供了一個多層的介質組成的布拉格反射鏡來代替金屬板,結果表明在這兩種條件下,我們都可以獲得高吸收率。這種吸收器將有利于熱探測器、光學調制器和電磁波能量存儲等設備。
【圖文】：

表面等離激元超材料吸收器的優(yōu)化設計及應用研究6圖1.1 波矢匹配的示意圖。文獻[46]一，棱鏡耦合實現(xiàn)波矢補償?shù)姆椒?被稱為 Attenuated Total Reflection method,ATR)。結構圖如圖 1.2(a)所示。二，在 1971 年，Kretschman 在棱鏡的反射面上鍍了一層金屬薄膜，也實現(xiàn)了這種光場的耦合，，這種結構被稱為 Kretschman 裝置，如圖 1.2(b)所示。三，波導邊界處存在一定的迅衰場，能夠激發(fā) SPs。那么在波導界面的某個位置上

圖1.1 波矢匹配的示意圖。文獻[46]矢補償?shù)姆椒?被稱為 Attenuated Total)所示。tschman 在棱鏡的反射面上鍍了一層金構被稱為 Kretschman 裝置，如圖 1.2(一定的迅衰場，能夠激發(fā) SPs。那么屬，通過這個鍍了金屬的電磁波就能被用于研究中，在實際應用中，將光纖屬，這樣就能夠得到使用一種簡單結，是一種光柵，利用光柵耦合結構不僅可以影響 SPs 的特性。由于光柵激發(fā)數(shù)，因此利用光柵結構激發(fā)表面等離和關注。棱棱
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

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1 王振林;;表面等離激元研究新進展[J];物理學進展;2009年03期

本文編號：2649225