【摘要】：表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在金屬與介質界面上的一種電子與光子混合激發(fā)態(tài)。由于SPPs的場約束依賴于金屬表層電子與波的強烈相互作用,可以將光波束縛在遠小于波長的范圍內,從而突破衍射極限。SPPs能夠操縱光在納米尺度上的傳播和發(fā)散,在光電器件的集成等領域具有巨大的應用潛力。超表面是一種亞波長尺寸的人工電磁表面,能夠對光的相位、幅度、極化等特性進行靈活控制,對于控制SPPs的波前和傳播具有重大的優(yōu)勢。然而,現(xiàn)有的超表面往往將周期性金屬圖案放置在介質基板上,與SPPs所依賴的金屬基板不兼容,難以有效地支持SPPs的傳播及調控。針對這一難點,本論文提出了一種基于Babinet原理的C形孔徑金屬超表面,通過改變孔徑的幾何參數(shù),可以改變其SPPs的色散特性,從而實現(xiàn)對SPPs的靈活調控。與線型孔徑超表面控制SPPs的方法不同,本論文所提出的C形孔徑金屬超表面,所激發(fā)SPPs的輻射場幅度不隨旋轉角度變化,在空間中均勻分布。通過選取合適的結構參數(shù)以及旋轉角度,這種C型孔徑金屬超表面能夠對不同極化入射波激發(fā)出不同的SPPs波前相位,從而調控SPPs的輻射方向。通過仿真驗證,實現(xiàn)了 SPPs的定向傳播、聚焦/發(fā)散等功能,為控制SPPs的激發(fā)與傳播提供了新的思路。進一步,本文提出了一種基于可重構超表面的微波吸波器件。通過將不同的直流偏置電壓施加于內嵌在單元結構中的變容二極管兩端,進而實現(xiàn)對每個單元結構電磁響應的獨立調控。將超表面等效成天線陣列,針對不同入射電磁波優(yōu)化出相應的超表面空間相位矩陣,可以實現(xiàn)異常反射、隱身和吸波等功能。這種結構設計簡單、易于加工、可集成性高,在調控電磁波方面具有重要應用價值。
【圖文】：

表面等離激元學［１＿３］是近年來研究十分活躍的一門光學分支學科。ＳＰＰｓ是存在于金屬逡逑與介質（通常是空氣）交界面上的一種混合激發(fā)態(tài)，并沿著金屬－介質界面?zhèn)鞑�。這種混合逡逑激發(fā)態(tài)由自由振蕩的電子與金屬表面的光子相互作用產生。如圖１．１所示，由于ＳＰＰｓ的逡逑場約束依賴于金屬表層電子與波的強烈相互作用，這種強烈的相互作用能夠實現(xiàn)亞波長范逡逑圍內的約束，從而突破衍射極限［４］。此外，這種強有力的場約束能夠顯著增強ＳＰＰｓ與金屬逡逑界面處的電磁輻射間的共振，使界面局部處的場產生增強響應，導致顯著增強的光學近場。逡逑ａ邐ｂ邋ｚ“逡逑Ｚ邋＼逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾邐卜＼逡逑＼邋丨遍遍Ａｌｆｆ邋＇邐ｉ邐ＩＥ七逡逑Ｉ邋＋＋＋ｓ＾邐Ｔ邋Ｋｒ逡逑Ｍｅｔａｌ邐＾逡逑圖１．１局域在表面（界面）附近的電子密度振蕩。（ａ）金屬與介質表面的電磁場及表面電荷分布示意逡逑圖；（ｂ）電場分量在分界面增強，并沿著垂直分界面方向衰減。Ｗ逡逑一旦光入射在平坦的金屬表面上并被轉換成ＳＰＰｓ模式，就會以ＳＰＰｓ模式在金屬表面逡逑傳播。但是，由于金屬吸收特性引起的損耗，ＳＰＰｓ會在傳播過程中逐漸衰減。因此，ＳＰＰｓ逡逑的傳播長度由復數(shù)ＳＰＰｓ波矢的虛部所決定，其中＝Ａ：ｓｐｐｒ邋＋邋ｉｆｃｓｐｐｐ逡逑基于ＳＰＰｓ的色散關系

度降低到其起始值的１／ｅ的距離。由式（１．２）可得，ＳＰＰｓ的傳播長度通常取決于金屬的介電逡逑常數(shù)和入射波的波長。例如，對于相對損耗大的金屬，如錯，在５００邋ｎｍ的波長下傳播長逡逑度為２（ａｍ，而對于低損耗的金屬，如銀，在相同的波長下傳播長度能達到２０ｊｉｍ（如圖１．２逡逑所示）。此外，對于較長的入射波長，例如近紅外波長１．５５ｐｍ，銀的傳播長度能夠增加到逡逑１ｍｍ。由此對比可知，ＳＰＰｓ的傳播長度隨金屬的相對損耗的增大而減小，隨入射波長的逡逑增大而增加。與此同時，由于隧穿距離的增加，ＳＰＰｓ激發(fā)效率也會隨金屬厚度的增加而降逡逑低。逡逑１０ｎｍ邋１００ｎｍ１ｎｍ邋１０邋ｎｍ邋１００邋ｎｍ邋１邋ｍｍ逡逑ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ逡逑Ｓｍ邋曑邐邐邐邋Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ邋ａｔ邋０．５逡逑邐Ｓｉｌｖｅｒ邋ａｔ邋１．５邋ｕｍ逡逑Ｓｄ邋＝＝＝＾逡逑入＝＝±＾逡逑§ＳＰ邐邐．逡逑圖１．２ＳＰＰｓ在銀和鋁之間的傳播長度的比較。５ＴＯ、５ｄ分別是在金屬及介質中電場強度降低到其起始逡逑值的１／ｅ的距離Ｗ。逡逑ＳＰＰｓ存在于金屬表面，在金屬表面處產生最高強度的場強，并在其垂直方向上逐漸衰逡逑減。由于其獨特的電磁及光學性質，ＳＰＰｓ成為了實現(xiàn)納米尺度下光電器件的絕佳途徑，為逡逑光電器件的集成化提供了新穎可行的方法，由此也吸引了國內外眾多學者的目光，與ＳＰＰｓ逡逑相關的理論、實驗和應用等方面的研究迅速成為了當前研究領域的熱點。逡逑ＳＰＰｓ雖然能夠實現(xiàn)納米尺度的光場限制，但由于其本身是表面波，ＳＰＰｓ的產生需要逡逑介電常數(shù)為負的材料。在自然界材料中
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN15

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1 郭麗君;Babinet超表面設計及其在表面等離子激元調控中的應用[D];浙江大學;2019年

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本文編號：2605025