光學(xué)超表面（metasurface）器件是納米光學(xué)的熱門研究領(lǐng)域之一,其在傳感、成像、全息投影、光電探測以及光集成等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價值和潛力。高速大容量的光集成通信網(wǎng)絡(luò)是成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢,為了提高網(wǎng)絡(luò)中光儲存、光傳輸以及光處理的能力,利用超表面結(jié)構(gòu)提高光波導(dǎo)器件的集成度成為目前人們的研究熱點。傳統(tǒng)的光波導(dǎo)器件尺寸存在極限帶寬（約70 nm）,光波導(dǎo)材料采用SiO₂和LiNbO₃,但這兩種材料只能對部分光（波長范圍處于近紅外）具有良好的傳輸性能,這些都限制了光波導(dǎo)器件集成度的進一步發(fā)展。為了實現(xiàn)高集成度、高性能化以及大帶寬的光通信網(wǎng)絡(luò),需要考慮新的材料以及新的技術(shù)。光波導(dǎo)器件是實現(xiàn)集成化光通信網(wǎng)絡(luò)的主要基礎(chǔ)元器件。在特定的工作波長范圍內(nèi),如何實現(xiàn)高效率光波導(dǎo)器件,尤其是用于偏振和模式調(diào)控的器件,多模干涉器、光功率分配器、模式轉(zhuǎn)換器、全光邏輯門器件及以此為基礎(chǔ)形成的波導(dǎo)中的模式調(diào)控,仍然是個難題。另外,用于光通信以及信息處理的光波導(dǎo)器件制備往往需要精密的制備技術(shù)和時間成本,尋找新的制備方案降低光波導(dǎo)器件的制備難度,同時保證器件性能,... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

超原子（結(jié)構(gòu)單元）、鏈（一維結(jié)構(gòu)）、超表面（二維結(jié)構(gòu)）和超材料（三維結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)模型[18]

基于超表面光波導(dǎo)器件的模式調(diào)控研究4超表面主要使用具有亞波長尺寸的微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的二維陣列來操縱光場，其微結(jié)構(gòu)單元可以是金屬（或介電）材料的納米顆粒，也可以是金屬（或介電）薄膜中的亞波長孔徑[18]。根據(jù)構(gòu)成材料的性質(zhì)進行分類[53]，大多數(shù)超表面可以分為等離激元型超表面與介質(zhì)型超表面，如圖1.2所示。等離激元型表面結(jié)構(gòu)所使用的材料有等離子體材料、貴金屬、二維材料、半導(dǎo)體以及其他材料。介質(zhì)型超表面結(jié)構(gòu)所使用的材料有硅基材料、金屬氧化物以及其他材料。另外，一些透明導(dǎo)電型氧化物（如金屬氮化物、氫化物、氧化物、硼化物等）和相變材料既可以作為等離激元型超表面也可以作為介質(zhì)型超表面。圖1.2用于超表面的材料的分類[53]。Figure1.2Materialplatformsformetasurfaces[53].1.2.1金屬型超表面金屬型超表面，是等離激元型超表面的一種類型，具有強大的場約束能力，基于其制備的器件擁有更小的尺寸，因而被廣泛應(yīng)用于彩色濾光片和顯示器[54,55]、增強諧波產(chǎn)生[56,57]、改進非線性[58,59]以及增強檢測靈敏度[60,61]。另外，通過阻抗匹配減少金屬型超表面的散射損耗[62]，合理對場約束與損耗之間進行權(quán)衡，金屬型超表面在一些特定應(yīng)用是非常適用的，比如吸收器[63-65]、完美的吸收劑以及高效的熱發(fā)射器[66-68]、光催化[69]、高溫應(yīng)用（例如熱光伏[70]），熱量輔助磁記錄[71]等。由金屬材料構(gòu)成的超表面，其光學(xué)性質(zhì)之所以與介質(zhì)材料具有顯著差別，在于金屬材料內(nèi)部存在大量的自由電子。當金屬材料受到外部電磁場驅(qū)動時，其導(dǎo)帶中自由電子也會隨之振蕩。P.Drude提出將經(jīng)典電子理論應(yīng)用于金屬當中，建立起了外部電磁場驅(qū)動下金屬介電常數(shù)與金屬內(nèi)部自由電子運動的物理關(guān)系[72]，

]。通過對表面等離激元的控制，我們可以通過改變金屬納米結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、尺寸和排列方式等實現(xiàn)對亞波長衍射范圍內(nèi)光場的操控。根據(jù)表面等離激元的傳播特性，表面等離激元可以分為兩類[75]：一種為光場在金屬-介質(zhì)界面附近具有高度局域性的表面等離極化激元波（SurfacePlasmonPolarization，SPP），另一種為光場在單個金屬微納結(jié)構(gòu)附近具有高度局域性的局域表面等離激元（LocalizedSurfacePlasmon，LSP）。表面等離極化激元波是電磁波與金屬表面的自由電子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻骐娮用芏炔�，如圖1.3（a）所示，電磁場在界面處強度最大，在介質(zhì)和金屬內(nèi)部分別沿著界面法向方向指數(shù)衰減[76]。局域表面等離激元又稱為局域表面等離激元共振（LocalizedSurfacePlasmonResonances，LSPR），在特定頻率的電磁波照射下，單個金屬微納結(jié)構(gòu)表面的電子集體振蕩與附近的電磁場相互作用，產(chǎn)生很強的近場增強以及強烈的光吸收或者散射，如圖1.3（b）所示。目前金屬型光學(xué)超表面的實現(xiàn)主要是基于金屬微納結(jié)構(gòu)的等離激元共振效應(yīng)。金屬微納結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元共振會受到結(jié)構(gòu)單元的材料、形狀、尺寸以及周圍材料的折射率等參數(shù)影響，同時也與入射光的激發(fā)方式有關(guān)[77]。圖1.3（a）金屬-介質(zhì)表面SPPs波的傳播電磁場分布示意圖，（b）金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振示意圖[78]。Figure1.3(a)SchematicillustrationoftheelectromagneticfielddistributionoftheSPPswaveonthemetal-dielectricsurface,(b)Schematicillustrationofthelocalizedsurfaceplasmonresonancesofmetalsphere[78].

【參考文獻】：
期刊論文
[1]表面等離激元研究新進展[J]. 王振林.  物理學(xué)進展. 2009(03)



本文編號：3402944