【摘要】：對光的傳播特性和光學吸收的操控一直是光學研究領域的重要課題。近年來,基于微納結構調控的高性能可集成的光學器件研究吸引了越來越多的關注。本文重點研究了微納結構對光的寬波帶吸收以及角度濾波效應,從理論設計、數值仿真到實驗制備和表征測量對基于微納結構的高效的完美吸收和光學傳播特性進行了系統(tǒng)研究。主要工作和創(chuàng)新點概括如下:(1)提出并實驗證明了一種基于集成的硅與金屬納米柱米氏共振的大面積的超表面完美吸收器。與以往的結構和原理不同的是,這種超表面完美吸收器中,耦合的米氏共振來自于同一尺寸的兩種不同材料的納米柱(電介質和金屬),不同材料的米氏共振互補地發(fā)生在不同波長處,從而實現了對整個可見光波段入射光的寬波帶吸收。利用雙光束全息曝光、反應離子刻蝕以及真空磁控濺射鍍膜沉積實驗制備了這種超表面完美吸收器。實驗測量結果表明,實驗制備的微納結構尺寸與理論設計值很好地符合。在整個可見光波段(波長范圍從400nm到760 nm)的與偏振無關的平均吸收率高達0.958。當入射角增加到70°時,平均吸收率依然能保持在0.912。這種超表面完美吸收器提供了一種實現大面積、超薄、易于制備的完美吸收器的有效途徑。(2)提出并實驗證明了一種基于米氏共振吸收增強的熱電子光電探測器。利用銀納米柱陣列的米氏共振可以實現寬波帶的高效吸收,再通過內光電效應,銀吸收光產生的熱電子躍遷到二氧化鈦內產生光電流,從而實現了光電探測的功能。利用雙光束全息曝光技術和離子束刻蝕技術制備了這種米氏共振吸收增強的光電探測器。實驗測量結果表明,這種基于米氏共振的銀納米柱陣列完美吸收器在波長從400nm到800nm范圍內的平均吸收率高達0.818。根據吸收率計算得到的光電轉換效率在整個波段范圍內大都在4%以上,在波長482nm處達到最大值9.371%。相比之下,傳統(tǒng)的銀-二氧化鈦平板結構在這一波段的光電轉換效率都不超過2%。這種基于銀納米柱陣列米氏共振吸收的光電探測器將在光電探測領域有著重要的應用和發(fā)展前景。(3)提出并實驗證明了一種基于鎳基底上同質外延生長的臺階式鎳納米柱米氏共振的柔性自支撐全金屬完美吸收器(黑鎳)。兩套不同尺寸的臺階式鎳納米柱激發(fā)的米氏共振互補性地在整個可見光波段(波長從400nm到760nm)耦合,從而實現了在162nm超薄層內偏振無關的寬帶完美吸收。使用雙光束全息曝光和電鍍技術制備了可以任意擠壓和彎曲的黑鎳片。實驗表明,這種柔性超表面黑鎳在整個可見光波段內偏振無關的平均吸收率高達0.972。當入射角增大到70°時,平均吸收率依然保持在0.815。(4)提出并實驗證明了一種全介質的雙層線型光柵實現對于線偏振入射光的角度濾波。在設計的共振波長處和TM波入射下,這種全介質雙層光柵的透過率隨入射角增大而急劇下降,當入射角大于12°時透過率為零,入射光幾乎全部被反射,展現了優(yōu)異的角度濾波特性。利用雙光束曝光和真空磁控濺射鍍膜技術制備了雙層線型光柵角度濾波器。實驗測量結果展示了這種角度濾波器高效的濾波性能。在波長632納米處,一束發(fā)散光經過該角度濾波器后的發(fā)散角僅為7.76°,而正入射的光透過率高達0.959。這種超薄全介質角度濾波器非常易于大面積制備,在需要定向照明的光學領域以及圖像整形處理方面有著重要的應用前景。(5)提出并實驗證明了一種半導體工藝兼容的硅-二氧化硅全介質偏振無關的光子晶體角度濾波器。該光子晶體中p波與s波接近對稱的方向性帶隙確保了偏振無關的角度濾波,而優(yōu)化的法布里-珀羅共振腔則保證了正入射下的高透過率。使用真空磁控濺射鍍膜實現了該角度濾波器的大面積(5cm×5cm)制備。實驗結果表明,在波長1550nm處,一束發(fā)散光經過該角度濾波器后的發(fā)散角僅有2.2°,而正入射時的透過率達到0.8。這種角度濾波器是一種實現角度濾波的有效方式,其半導體兼容、全介質、偏振無關以及易于制備的優(yōu)點使其在照明、光束操縱、光耦合以及光通信方面有著重要的應用。
【圖文】：

塊板朝里的表面各自都鍍有高反射率薄膜，并且相互平行；兩板之間形成一層平行平板空氣層。光就在這兩個鍍膜面之間的空氣層內反復反射，形成多光束等傾干涉圓環(huán)。圖1.2 法布里-珀羅標準具的示意圖由于器件的旋轉對稱性，可以很容易地將像平面中的柱坐標系 r , 和傅立葉平面中的 , 互相轉換，然后通過波矢和z軸之間的夾角θ來定義傳播方向： 1 22 2sin （1.2）法布里-珀羅標準具的透過率由下式給出： 1222241 1 sin 21A FTR （1.3）其中A和R是平板的吸收率和反射率（通常情況下，由于吸收率A極小，為了方便計算，可以認為 A 0）。定義標準具的優(yōu)化系數F為：F R 1 R （1.4）

可以通過激發(fā)其他模式的共振使其同時對兩種偏振光入射產生吸收效應。圖1.3（a）中由Yoon等人在2014年設計的一維光子光柵完美吸收器就實現了在400nm到700nm波段內偏振方向不敏感的吸收（圖1.3（b））[28]。從光柵各方向截面的電場圖（圖1.3（c）（d）（e）（f））中可以看到，TE波和TM波激發(fā)了不同類型的共振模式，通過仔細調節(jié)光柵的幾何參數，使這兩種共振同時產生高吸收，就實現了偏振不敏感的完美吸收。圖1.3（a）SiO2（二氧化硅）基底上α-Si（非晶硅）一維光柵完美吸收器的示意圖。（b）該完美吸收器在400nm到700nm范圍內不同高度時的吸收光譜。（c）和（d）分別是TM波入射時腔型共振中的橫模和縱模。（e）和（f）分別是TE波入射時腔型共振中的橫模和縱模。（2） 表面等離子共振基于腔型共振的完美吸收器存在著重要的缺陷，主要是因為其吸收性能往往與其深度有關，深度越深吸收性能越好，這極大地增加了其制備難度。而另一種完美吸收
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O43

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本文編號：2627819