發(fā)布時間：2020-07-17 04:23

【摘要】：光學天線因其亞波長幾何尺寸而主要工作于光頻段,并且兼顧了傳統天線對電磁波的調控性,因此在光波段并引入了新的物理涵義,受到了學術界的廣泛關注。光學天線的物理特性主要表現為四個方面:近場增強、光頻電磁波的損耗與吸收、光頻電磁參量的調控、光熱效應。本論文圍繞光學天線為主題,基于上述四個物理特性進行研究并提出了對應器件的設計。本論文的主要工作內容歸納為如下幾方面:(1)提出了一種分裂十字天線圖案,金屬-介質-金屬結構的紅外吸收體實現在紅外波段的窄帶吸收。這種天線是通過四根納米棒呈X形放置,天線陣列下方分別為絕緣層與金屬背板。結合數值仿真軟件系統分析了天線幾何參數對光譜響應的影響。基于該結構的窄線寬與近場增強特性,本論文提出了其在中紅外波段的折射率傳感器應用。最優(yōu)化的天線參數在3.17μm的共振波長上實現39nm窄線寬且峰值吸收效率為96.5%,在光譜位移傳感模式下優(yōu)化后的等離子體吸收器可達到988/RIU的靈敏度,在單波長傳感模式情況下品質因素高達3082。(2)提出了一種壓電效應的電可調控型光學天線吸收體結構,并且系統地分析了這種壓電可調型微光機電諧振腔的機理與調制深度。并在最后基于這種壓電可調微光機電諧振腔的機理設計了一種空間光偏振態(tài)調控裝置。在2.58μm波長的吸收峰半高寬為33nm,電壓驅動壓電薄膜進行調控,隨著電壓變大,可以實現光學天線的吸收峰峰位線性增大,在電壓變化量為10V的情況下可實現波長線性增大250nm。并且當光學天線占空比大于0.9時,僅需1V的驅動電壓即可實現在固定波長的75%的吸收率。(3)提出了一種天線集成式熱形變探測器及其偏振態(tài)探測結構,該結構由兩層熱膨脹系數不同的材料組成,通過集成于其中的光學天線對紅外波段輻射的選擇性吸收實現光-熱的轉化,對應紅外輻射的強度最終反映在兩層膜由于熱膨脹系數不同而發(fā)生不同程度的彎曲。本論文系統分析了天線結構的光譜特性、裝置結構的熱噪聲、背景噪聲與機械振動噪聲。最后針對這種熱形變探測的機理設計了一種天線集成式陣列像素偏振探測器。集成的納米天線被調諧在6μm實現最大的吸收,并研究得到采用PMMA與氮化硅材料的雙層膜懸臂梁結構可以實現最優(yōu)的響應性與噪聲性能。(4)提出了一種天線集成式紅外熱釋電探測器,采用鉭酸鋰薄膜作為熱敏材料,通過半導體工藝在薄膜表面制備MIM結構光學天線陣列,系統地分析了光譜特性與天線幾何尺寸之間的關系并對半導體工藝參數進行調優(yōu),使用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對樣片進行了光學吸收譜的測試,并將測試譜與陣列結構的仿真吸收譜進行了比對分析,同時使用掃描電鏡(SEM)對樣片分別進行了表面形貌的測量并與仿真設計尺寸進行了比對分析;探討了器件結構的瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)熱響應,并針對同等功率輸入條件下器件的信號電流進行了理論計算,并詳細探討了影響器件性能的各項因素。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN820
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文一數量級時，會表現出近場增強、電磁損耗與吸收、光學參量調控等特殊物理現]，并由此引申出 光學天線 的概念，成為了學術研究熱點。 如圖 1.1 所示為天線在整個電磁波譜的應用與特性。由于麥克斯韋方程組在從無線電波到紫外光的整磁波譜的范圍內都是成立的，因此通過調整天線的物理尺寸可以實現全譜范圍內用[11,12]。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文粒子在樣本表面實現在超衍射極限的光學成像。1985 年，Jone Wessel 首次提出了金顆粒天線理論模型[16]。而首次實驗驗證直到 1995 年由 Dieter 和 Ulrich Fischer 使用金涂層聚苯乙烯完成。在隨后的幾年以金屬尖形狀所設計的光學天線廣泛應用于近場顯微鏡和光譜學的研究中[17]。而這些研究成果催生了近場光學顯微鏡。值得注意的是早在 1968 年天線就被用于紅外輻射探測，隨著研究的持續(xù)深入各種紅外天線的幾何結構都被系統地研究過了。在 1997 年提出可用于近場光探測的領結型天線，最初的原理證明實驗是在微波頻段實現，后續(xù)的實驗中，領結型天線是在原子力顯微鏡的尖端制作的，隨著發(fā)展研究人員開始探索天線的各種幾何形狀具體結構如圖 1.2 所示。

表面等離激元模式的結構，是介電常數為2 且為正數，金屬介質界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x激元小于零（ 1Re 0），且體材以對 TE 模與 TM 模進行求解TE 模的求解方程為：22( )i xk zyH z A e e 22 20 21( )i xk zxE z iA k e e 210 2( )i xk zzE z A e e

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 馮濤;金偉其;司俊杰;;非制冷紅外焦平面探測器及其技術發(fā)展動態(tài)[J];紅外技術;2015年03期

2 許婭明;任華;;320×240混合式非制冷紅外焦平面探測器芯片工藝研究[J];紅外技術;2010年01期

3 丁瑞軍;葉振華;周文洪;胡曉寧;何力;;雙色紅外焦平面研究進展[J];紅外與激光工程;2008年01期

相關博士學位論文 前4條

1 張楠;基于表面等離子體激元特性的紅外超材料吸波結構及其熱輻射調控研究[D];電子科技大學;2015年

2 程登木;新型中紅外超材料設計及其電磁性能研究[D];電子科技大學;2013年

3 程騰;基于MEMS技術的光學讀出非制冷紅外成像系統研究[D];中國科學技術大學;2010年

4 史海濤;光—機械式非制冷紅外成像研究[D];中國科學技術大學;2010年

相關碩士學位論文 前2條

1 姚飛;PZT熱釋電厚膜低溫燒結特性及溫區(qū)擴展研究[D];華中科技大學;2013年

2 范生強;BST鐵電薄膜紅外探測器陣列的制備工藝及其電學性能[D];湖北大學;2011年

本文編號：2758972