設(shè)計(jì)了一個(gè)由金納米結(jié)構(gòu)頂層、中間介質(zhì)層和金屬基底層構(gòu)成的復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)。其中,金屬納米結(jié)構(gòu)頂層是由三個(gè)橢圓形納米盤所組成的"工"字形單元陣列,中間介質(zhì)層是二氧化硅,金屬基底層是金膜。利用有限元方法研究了該結(jié)構(gòu)的吸收特性、電場(chǎng)分布及折射率傳感特性。結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)的吸收光譜中出現(xiàn)了三個(gè)吸收峰,其吸收率分別達(dá)到91.06%、99.63%和97.26%。此外,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和周圍環(huán)境介質(zhì)對(duì)吸收率的影響及其折射率變化的響應(yīng)特性,折射率靈敏度最大達(dá)到425 nm/RIU（RIU為單位折射率）,品質(zhì)因數(shù)（FOM）為14。這些研究將為基于表面等離激元超材料結(jié)構(gòu)的完美吸收器用作折射率傳感器提供理論指導(dǎo)。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(14)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

有金基底(實(shí)線)和無金基底(虛線)時(shí)的吸收光譜

為研究該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸收峰的物理機(jī)制以及基底對(duì)其吸收率的影響,分別計(jì)算了吸收譜中位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處在xy平面和yz平面上的電場(chǎng)分布。當(dāng) λ=0.58 μm(Ⅰ)時(shí),其電場(chǎng)輻射主要分布在豎直橢圓盤的兩端、水平橢圓盤的上下兩側(cè)及它們之間的間隙,如圖3(a)、(e)所示,這說明此處的吸收峰主要是由每個(gè)橢圓盤的偶極振蕩及其之間的近場(chǎng)耦合作用所致。當(dāng)λ=0.67 μm(Ⅱ)時(shí),其電場(chǎng)輻射主要分布在豎直橢圓盤的兩端及其與水平橢圓盤的間隙,如圖3(b)、(f)所示,這說明此處的吸收峰主要是由豎直橢圓盤的偶極振蕩及其與水平橢圓盤的近場(chǎng)耦合作用所致。當(dāng)λ=0.81 μm(Ⅲ)時(shí),其電場(chǎng)輻射主要分布在豎直橢圓盤的兩端,如圖3(c)、(g)所示,這說明此處的吸收峰主要是由豎直橢圓盤的偶極振蕩所致。當(dāng)λ=0.655 μm(Ⅳ)時(shí),其電場(chǎng)輻射主要分布在豎直橢圓盤的兩端及其與水平橢圓盤的間隙,如圖3(d)、(h)所示,這說明此處的吸收峰主要是由豎直橢圓盤的偶極振蕩及其與水平橢圓盤的近場(chǎng)耦合作用所致。此外,對(duì)比圖3(a)～(d),可以明顯看出在不同位置處發(fā)生的局域等離激元共振強(qiáng)度不同,其中Ⅳ處的共振強(qiáng)度明顯弱于其他三處;這是由于Ⅳ處沒有金膜作為反射鏡,入射光極易透射,因此其對(duì)應(yīng)的吸收峰值也較低。綜上分析,該吸收器接近完美吸收是因?yàn)?在入射光作用下可產(chǎn)生局域表面等離激元共振,引起局域場(chǎng)增強(qiáng);基底的反射作用使得入射光可以在基底和介質(zhì)層之間來回反射,足以保證充分吸收。吸收器的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸收光譜的影響如圖4(a)～(d)所示。為研究三個(gè)橢圓盤之間的垂直距離d對(duì)吸收光譜的影響,研究了h=100 nm,l1=l2=l3=120 nm,w1=w2=w3=50 nm,p=540,t2=30 nm,t1=50 nm時(shí),d從10 nm變化到40 nm的吸收譜,如圖4(a)所示。隨著d的增加,橢圓盤之間的近場(chǎng)耦合減弱,吸收光譜中每個(gè)吸收峰都出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。為研究三個(gè)橢圓盤的柱高h(yuǎn)對(duì)吸收光譜的影響,研究了d=30 nm,h從70 nm變化到130 nm的吸收譜(其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖4(a)相同),如圖4(b)所示。隨著h的增加,吸收光譜中的每個(gè)吸收峰出現(xiàn)紅移。此外,Ⅰ處的吸收率隨著h的增加明顯提高,Ⅱ處的吸收率隨著h的增加先增大后減小,Ⅲ處的吸收率隨著h的增加而降低。為研究一個(gè)水平放置的橢圓盤短軸w1對(duì)吸收光譜的影響,研究了d=30 nm,w1從50 nm變化到120 nm的吸收譜(其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖4(a)相同),如圖4(c)所示。隨著w1的增加,吸收光譜中的吸收峰略微紅移,同時(shí)在Ⅰ和Ⅱ之間、Ⅱ和Ⅲ之間又產(chǎn)生了新的吸收峰。圖4(d)和(e)分別為僅改變一個(gè)水平放置的橢圓盤長(zhǎng)軸l1和僅改變豎直放置的橢圓盤短軸w2對(duì)吸收光譜的影響,從圖中可以看出吸收譜幾乎不發(fā)生任何變化,這是由于光沿著y軸方向極化,因此l1和w2的變化對(duì)吸收光譜的位置、峰值和吸收率幾乎沒有影響。為研究豎直放置的橢圓盤長(zhǎng)軸l2 對(duì)吸收光譜的影響,研究了在d=30 nm,l2從80 nm變化到160 nm的吸收譜(其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖4(a)相同),如圖4(f)所示。隨著l2 的增加,吸收光譜中所有吸收峰明顯紅移。此外,Ⅰ處的吸收率隨著l2的增加略微提高;Ⅲ處的吸收率當(dāng)l2處在100～120 nm時(shí)變化不大,當(dāng)l2=80 nm時(shí)較低;Ⅲ處的吸收率隨著l2的增加而先增加后降低( l2=120 nm時(shí)吸收率達(dá)到最高值)。

改變吸收器旋轉(zhuǎn)角度θ對(duì)吸收光譜的影響如圖5(a)所示,其中h=100 nm,l1=l2=l3=120 nm,w1=w2=w3=50 nm,p=540,t2=30 nm,t1=50 nm時(shí),d = 30 nm,θ從0°變換到90°。隨著角度的增大,I處吸收率逐漸減小直至波峰消失(60°波峰消失); II處吸收率略微減小,波峰位置無明顯變化; III處吸收率逐漸減小直至波峰消失(90°波峰消失);在波長(zhǎng)0.81 μm之后(即III處后),當(dāng)角度為0°時(shí),沒有波峰,隨著角度增大,吸收率逐漸減小并出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。圖5(b)是工字型結(jié)構(gòu)(model 1)和改變其結(jié)構(gòu)層排列順序(model 2)的情況下吸收光譜圖,model 1 出現(xiàn)3個(gè)吸收峰且這3個(gè)吸收峰的吸收率都在90%以上,吸收率分別為91.06%、99.63%和97.26%;model 2 出現(xiàn)5個(gè)吸收峰,其中在波長(zhǎng)0.94 μm處97.18%,其余波峰處的吸收率均在90%以下。因此,本文提出的工字型結(jié)構(gòu)比改變其結(jié)構(gòu)層排列順序的吸收效果更好。3.2 折射率敏感特性

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[2]太赫茲超材料吸收器的完美吸收條件與吸收特性[J]. 崔子健,王玥,朱冬穎,岳莉莎,陳素果.  中國(guó)激光. 2019(06)
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本文編號(hào)：3000786