【摘要】：光學(xué)天線因其亞波長(zhǎng)幾何尺寸而主要工作于光頻段,并且兼顧了傳統(tǒng)天線對(duì)電磁波的調(diào)控性,因此在光波段并引入了新的物理涵義,受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。光學(xué)天線的物理特性主要表現(xiàn)為四個(gè)方面:近場(chǎng)增強(qiáng)、光頻電磁波的損耗與吸收、光頻電磁參量的調(diào)控、光熱效應(yīng)。本論文圍繞光學(xué)天線為主題,基于上述四個(gè)物理特性進(jìn)行研究并提出了對(duì)應(yīng)器件的設(shè)計(jì)。本論文的主要工作內(nèi)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(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的紅外吸收體實(shí)現(xiàn)在紅外波段的窄帶吸收。這種天線是通過(guò)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(jié)合數(shù)值仿真軟件系統(tǒng)分析了天線幾何參數(shù)對(duì)光譜響應(yīng)的影響�；谠摻Y(jié)構(gòu)的窄線寬與近場(chǎng)增強(qiáng)特性,本論文提出了其在中紅外波段的折射率傳感器應(yīng)用。最優(yōu)化的天線參數(shù)在3.17μm的共振波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)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(dá)到988/RIU的靈敏度,在單波長(zhǎng)傳感模式情況下品質(zhì)因素高達(dá)3082。(2)提出了一種壓電效應(yīng)的電可調(diào)控型光學(xué)天線吸收體結(jié)構(gòu),并且系統(tǒng)地分析了這種壓電可調(diào)型微光機(jī)電諧振腔的機(jī)理與調(diào)制深度。并在最后基于這種壓電可調(diào)微光機(jī)電諧振腔的機(jī)理設(shè)計(jì)了一種空間光偏振態(tài)調(diào)控裝置。在2.58μm波長(zhǎng)的吸收峰半高寬為33nm,電壓驅(qū)動(dòng)壓電薄膜進(jìn)行調(diào)控,隨著電壓變大,可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)線性增大250nm。并且當(dāng)光學(xué)天線占空比大于0.9時(shí),僅需1V的驅(qū)動(dòng)電壓即可實(shí)現(xiàn)在固定波長(zhǎng)的75%的吸收率。(3)提出了一種天線集成式熱形變探測(cè)器及其偏振態(tài)探測(cè)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由兩層熱膨脹系數(shù)不同的材料組成,通過(guò)集成于其中的光學(xué)天線對(duì)紅外波段輻射的選擇性吸收實(shí)現(xiàn)光-熱的轉(zhuǎn)化,對(duì)應(yīng)紅外輻射的強(qiáng)度最終反映在兩層膜由于熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同程度的彎曲。本論文系統(tǒng)分析了天線結(jié)構(gòu)的光譜特性、裝置結(jié)構(gòu)的熱噪聲、背景噪聲與機(jī)械振動(dòng)噪聲。最后針對(duì)這種熱形變探測(cè)的機(jī)理設(shè)計(jì)了一種天線集成式陣列像素偏振探測(cè)器。集成的納米天線被調(diào)諧在6μm實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的響應(yīng)性與噪聲性能。(4)提出了一種天線集成式紅外熱釋電探測(cè)器,采用鉭酸鋰薄膜作為熱敏材料,通過(guò)半導(dǎo)體工藝在薄膜表面制備MIM結(jié)構(gòu)光學(xué)天線陣列,系統(tǒng)地分析了光譜特性與天線幾何尺寸之間的關(guān)系并對(duì)半導(dǎo)體工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu),使用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對(duì)樣片進(jìn)行了光學(xué)吸收譜的測(cè)試,并將測(cè)試譜與陣列結(jié)構(gòu)的仿真吸收譜進(jìn)行了比對(duì)分析,同時(shí)使用掃描電鏡(SEM)對(duì)樣片分別進(jìn)行了表面形貌的測(cè)量并與仿真設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行了比對(duì)分析;探討了器件結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng),并針對(duì)同等功率輸入條件下器件的信號(hào)電流進(jìn)行了理論計(jì)算,并詳細(xì)探討了影響器件性能的各項(xiàng)因素。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN820
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文一數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出近場(chǎng)增強(qiáng)、電磁損耗與吸收、光學(xué)參量調(diào)控等特殊物理現(xiàn)]，并由此引申出 光學(xué)天線 的概念，成為了學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。 如圖 1.1 所示為天線在整個(gè)電磁波譜的應(yīng)用與特性。由于麥克斯韋方程組在從無(wú)線電波到紫外光的整磁波譜的范圍內(nèi)都是成立的，因此通過(guò)調(diào)整天線的物理尺寸可以實(shí)現(xiàn)全譜范圍內(nèi)用[11,12]。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文粒子在樣本表面實(shí)現(xiàn)在超衍射極限的光學(xué)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)的光學(xué)天線廣泛應(yīng)用于近場(chǎng)顯微鏡和光譜學(xué)的研究中[17]。而這些研究成果催生了近場(chǎng)光學(xué)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(cè)，隨著研究的持續(xù)深入各種紅外天線的幾何結(jié)構(gòu)都被系統(tǒng)地研究過(guò)了。在 1997 年提出可用于近場(chǎng)光探測(cè)的領(lǐng)結(jié)型天線，最初的原理證明實(shí)驗(yàn)是在微波頻段實(shí)現(xiàn)，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，領(lǐng)結(jié)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(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。

表面等離激元模式的結(jié)構(gòu)，是介電常數(shù)為2 且為正數(shù)，金屬介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x激元小于零（ 1Re 0），且體材以對(duì) TE 模與 TM 模進(jìn)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號(hào)：2758972