在過去的幾十年里,電磁超材料以及超表面因其獨一無二的電磁特性,得到了全世界科研人員的極大關(guān)注。與自然界中存在的物質(zhì)材料不同的是,超材料以及超表面能夠通過靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和周期排布,幾乎可以任意控制光場的相位、偏振、強度。尤其是超表面,制備工藝簡單,集成度高,在一些領(lǐng)域內(nèi)有取代傳統(tǒng)光學(xué)器件的趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展,超表面的工作波長已經(jīng)移到了近紅外以及可見光波段,工作材料也由一開始的金屬過渡到透明的介質(zhì)材料,器件功能的實現(xiàn)以介質(zhì)顆粒的米氏諧振為基礎(chǔ)。在功能性方面,介質(zhì)超表面主要分為兩類:一類是對光的波前進行控制的梯度超表面,例如超透鏡;另一類是以增強光場諧振為主的諧振型超表面,這類超表面通過高品質(zhì)因子的諧振模式以及近場增強來加強光與物質(zhì)的相互作用。本文研究的重點圍繞著諧振型介質(zhì)超表面展開,設(shè)計了不同的偏振無關(guān)和偏振相關(guān)的介質(zhì)超表面器件,并最終在硅基材料平臺上成功制備出器件。具體內(nèi)容如下:(1)通過對介質(zhì)超表面中Fano諧振的深入研究,分析了介質(zhì)圓盤陣列中Fano諧振的產(chǎn)生機制以及限制諧振品質(zhì)因子的決定因素,提出了通過引入環(huán)形缺陷來平衡反向電偶極子對,使其實現(xiàn)更為充分的干涉相消,以提升諧振的品質(zhì)因子。同時,這一功能的實現(xiàn)僅僅破壞了器件結(jié)構(gòu)的局域?qū)ΨQ性,器件的整體仍然保留有平面內(nèi)的完整對稱性,屬于偏振無關(guān)結(jié)構(gòu)。另外,環(huán)形缺陷的帶來的狹縫效應(yīng)又進一步的提升了介質(zhì)超表面在諧振波長處的局域場增強,有利于增強光與物質(zhì)的相互作用。(2)提出了一種基于非對稱微盤結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)因子介質(zhì)超表面,通過對亮-暗模耦合過程以及束縛模產(chǎn)生機制的分析,我們發(fā)現(xiàn)暗模是束縛模的一種極限情況。傳統(tǒng)的亮-暗模耦合是一種間接激發(fā)高品質(zhì)一直諧振模式的方法,在結(jié)構(gòu)上要求亮-暗模之間存在著非對稱性。若把亮-暗模看做一個整體,這種方式就是通過破壞對稱性以實現(xiàn)到遠(yuǎn)場的耦合。因此,只需要在結(jié)構(gòu)上簡單破壞暗模的對稱性即可讓其諧振模式泄露到遠(yuǎn)場,而不需要亮模參與進來,這種全新的設(shè)計思想使得我們可以任意根據(jù)需要設(shè)計所需要的高品質(zhì)因子介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)。我們所提出的最為簡單的結(jié)構(gòu)是破壞完美圓盤的對稱性,使其等效為一個半圓盤和半橢圓盤拼接而成,保留光滑的側(cè)壁結(jié)構(gòu)。(3)摸索了硅基介質(zhì)超表面的全套制備工藝,通過多次實驗我們總結(jié)出來臨近效應(yīng)與寫場拼接問題是大面積介質(zhì)超表面器件的制備所面臨的最關(guān)鍵問題,尤其臨近效應(yīng)在連續(xù)圖形大面積曝光中幾乎無可避免,即使用專業(yè)的軟件進行臨近效應(yīng)矯正也無法消除,這導(dǎo)致在制備柱狀結(jié)構(gòu)的介質(zhì)超表面時很難得到一致性較佳的器件。最有效的解決方法是通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計來減弱鄰近效應(yīng)帶來的影響,用獨立的小面積曝光來替代連續(xù)的大面積曝光,也就是用孔型結(jié)構(gòu)來代替柱狀結(jié)構(gòu)。(4)設(shè)計并且成功制備出來基于非對稱孔結(jié)構(gòu)的介質(zhì)超表面,通過空間光測試系統(tǒng)確認(rèn)了其與仿真模擬結(jié)果的吻合,并且首次將介質(zhì)超表面與有源發(fā)光物質(zhì)結(jié)合,在硅基鍺量子點外延片上制備出來了同樣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)超表面,通過低溫PL測試觀測到了超過1000倍的發(fā)光增強,發(fā)光峰的最高品質(zhì)因子為1011,器件的性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。我們還探索了超表面發(fā)光峰的偏振特性以及泵浦光斑大小對于器件性能的影響,測試結(jié)果與理論預(yù)期一致。同時,我們對比無源空間光測試和有源PL發(fā)光測試的結(jié)果,首次實驗證實了發(fā)光最強點與Fano諧振峰的對應(yīng)關(guān)系,填補了這一研究領(lǐng)域上的空白。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

才走過了十多年的歷史，但是由于其特異性引起的廣泛關(guān)注，這一之后不斷的拓展，對于超材料的定義也不斷的拓寬。 來說，超材料是一種宏觀的復(fù)合材料，可以是由周期性結(jié)構(gòu)或者非，而組成超材料的結(jié)構(gòu)單元是由人工設(shè)計的亞波長尺度上的結(jié)構(gòu)，排布能使超材料具有自然材料所沒有的新穎特性。另外，超材料所性是由單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計、排布以及組成物質(zhì)本身的化學(xué)成分共同決素的改變都會極大地影響超材料的特性，但同時也增加了超材料在活性。 質(zhì)上講，超材料更是一種創(chuàng)新的人工材料設(shè)計理念，其立足點在于理學(xué)規(guī)律的深刻理解，尤其是物質(zhì)材料對于電磁波產(chǎn)生響應(yīng)的原之上，人們發(fā)現(xiàn)了自然材料在物理特性上的不完整性。超材料的提性的同時，自然而然就帶來了更多新穎的功能，而在其隨后的發(fā)展根據(jù)功能上的需求來設(shè)計所需要的超材料結(jié)構(gòu)。

內(nèi)的兩種典型超材料結(jié)構(gòu)[68]。(a)均勻周期性結(jié)構(gòu)；(b)非周質(zhì) 示出了兩種在微波波段內(nèi)的典型超材料結(jié)構(gòu)。其中，圖的超材料，在超材料這一概念被提出的最初階段，這的研究。而圖 1-3(b)中展示的則是一個非周期性結(jié)構(gòu)質(zhì)，但是其不同結(jié)構(gòu)單元之間的距離依然是處于亞波度媒質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)更為新穎的功能。 中，人們在描述物質(zhì)材料與電磁波相互作用時，使用與磁場特性：介電常數(shù) ε 和磁導(dǎo)率 μ。介電常數(shù)表征，而磁導(dǎo)率是表征材料磁性的物理量，它們都是宏觀氣是最為稀疏的，以其介電常數(shù)0 和磁導(dǎo)率0 作為參數(shù)和相對磁導(dǎo)率可以被定義為：0/r 和/r

5圖 1-4 根據(jù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率實部的正負(fù)號對材料實現(xiàn)分類的示意圖[68] 自然界中，大部分介質(zhì)材料都是非磁性的，磁導(dǎo)率等于0 ，同時，它們實部通常為大于0 的正值。另外，金屬材料的介電常數(shù)實部通常為負(fù)值。中的材料在這兩個參數(shù)上有著極大的局限性，在科學(xué)的飛速發(fā)展下，自難以滿足人們的需求。超材料的出現(xiàn)為我們突破這一局限性提供了極大，通過有效設(shè)計結(jié)構(gòu)單元以及使用不同的結(jié)構(gòu)和襯底材料，調(diào)制對外加可以實現(xiàn)所有可能的 和 值。在圖 1-4 中展示的平面示意圖中，橫坐 的實部，而縱坐標(biāo)是磁導(dǎo)率 的實部，根據(jù)這兩個參數(shù)的正負(fù)把各向損耗的材料特性分為四類（只包含 和 的實部，沒有虛部所以沒有損耗象限（ 0， 0）代表右手材料（Right-handed materials，RHM），熟知的材料，電磁波在其中的相位傳播方向與能流方向相同。第二象限（
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Rongzhen Li;Zhongyi Guo;Wei Wang;Jingran Zhang;Keya Zhou;Jianlong Liu;Shiliang Qu;Shutian Liu;Jun Gao;;Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J];Photonics Research;2015年05期

2 Wei Wang;Zhongyi Guo;Rongzhen Li;Jingran Zhang;Yi Liu;Xinshun Wang;Shiliang Qu;;Ultra-thin,planar,broadband,dual-polarity plasmonic metalens[J];Photonics Research;2015年03期

本文編號：2873941