本文關(guān)鍵詞：含透明導(dǎo)電薄膜光子晶體的增強(qiáng)吸收　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：光子晶體是近年來(lái)發(fā)展迅速的一項(xiàng)納米光學(xué)技術(shù)。利用光子晶體的優(yōu)良特性可制作超棱鏡、高效發(fā)光二極管、無(wú)閾值激光器、傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等器件。近幾年,能夠完全吸收光波的光子器件應(yīng)用廣泛,目前可以實(shí)現(xiàn)光波增強(qiáng)的吸收機(jī)制主要有:表面等離子激元共振、光學(xué)Tamm態(tài)、F-P腔共振等。其中,表面等離子激元共振的原理是使光波局域在金屬與介質(zhì)交界面處,在界面處有明顯的場(chǎng)增強(qiáng)。曾有人利用金屬納米顆粒激發(fā)出表面等離子激元共振實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的增強(qiáng)吸收,大大提高了其光電轉(zhuǎn)換效率。光學(xué)Tamm態(tài)的原理則是由于金屬中自由電子與光子相互作用,電磁場(chǎng)被局域在金屬-介質(zhì)分界面處。由于電磁場(chǎng)的高度局域,它在極化激元激光器、非線性光學(xué)器件等方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。除此之外,F-P腔共振以及光學(xué)Tamm態(tài)的混合模式也可通過(guò)場(chǎng)局域進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收。我們利用F-P腔共振、光學(xué)Tamm態(tài)和表面等離子激元共振等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收,并基于此原理開(kāi)展了一些增強(qiáng)吸收的研究。在文章第二部分,我們主要研究含金屬的三明治結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)光范圍實(shí)現(xiàn)多通道增強(qiáng)吸收。文中設(shè)計(jì)的三明治結(jié)構(gòu),由一個(gè)金屬薄膜和一個(gè)光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中間插入一個(gè)對(duì)稱的光子晶體,發(fā)現(xiàn)可以在可見(jiàn)光范圍實(shí)現(xiàn)多通道增強(qiáng)吸收,并且這種吸收器具有良好的單向性。我們調(diào)整吸收器的周期數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)從單重至多重通道增強(qiáng)吸收。通過(guò)分析電磁場(chǎng)的分布,我們發(fā)現(xiàn),近完全吸收的物理機(jī)制主要來(lái)源于F-P腔共振、光學(xué)Tamm態(tài)或者是兩者的共同作用。此外,我們還研究了吸收器的其他特性。光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅可以替代金屬材料作為高性能的反射鏡來(lái)使用,減少了能量損耗,還可以選擇禁帶范圍,使共振頻率可調(diào)。改變金屬薄膜的厚度、偏振態(tài)和入射角度會(huì)影響吸收頻率和吸收率。在文章第三部分,我們主要研究在紅外區(qū)域含透明導(dǎo)電薄膜光子晶體的增強(qiáng)吸收。含金屬的光子晶體可激發(fā)出表面等離子激元共振和光學(xué)Tamm態(tài),但由于金屬損耗比較大,我們嘗試使用透明導(dǎo)電薄膜ITO、GZO、AZO替換金屬薄膜。首先,在可見(jiàn)光范圍用包絡(luò)線法計(jì)算出單層ITO、GZO、AZO薄膜的厚度,在近紅外根據(jù)Drude模型分別擬合出ITO、GZO、AZO薄膜的介電常數(shù)。然后,分別設(shè)計(jì)了 Kretschmann 結(jié)構(gòu):Prism-SiO2-ITO,Prism-SiO2-GZO 以及Prism-SiO2-AZO,結(jié)果證明,在紅外范圍內(nèi),當(dāng)光波以一定角度入射,在TM偏振態(tài)下就可以實(shí)現(xiàn)近完全吸收。分析電磁場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn)在界面處磁場(chǎng)最強(qiáng),說(shuō)明含透明導(dǎo)電薄膜光子晶體可以激發(fā)出SPPs,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收。最后,我們?cè)O(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu):ITO-光子晶體、GZO-光子晶體以及AZO-光子晶體。證明,當(dāng)光波正入射時(shí),在紅外范圍內(nèi)TE、TM偏振態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)近完全吸收。分析電磁場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn)是由于光學(xué)Tamm態(tài)作用的結(jié)果。證明了透明導(dǎo)電薄膜具有類金屬的特性,在某一條件下也可以激發(fā)出SPPs和光學(xué)Tamm態(tài)。
[Abstract]:Photonic crystal is a nano optical technology develops rapidly in recent years. The excellent properties of photonic crystal can be made of super prism, light-emitting diode, thresholdless lasers, sensors, data memory and other devices. In recent years, able to absorb light photonic devices widely used at present, can absorb light to enhance the main mechanism a surface plasmon resonance, optical Tamm state, F-P cavity resonance and so on. Among them, the principle of surface plasmon resonance is the light wave localized on the metal dielectric interface, significant field enhancement at the interface. It has been the use of metal nanoparticles excited by surface plasmon resonance to achieve the light absorption enhancement, greatly improving the photoelectric conversion efficiency. The principle of optical Tamm state is due to the free electron and photon metal interaction, the electromagnetic field is localized on the metal medium The interface. Due to the highly localized electromagnetic field, it in the polariton laser has potential applications in nonlinear optical devices and so on. In addition, F-P and optical cavity resonance states Tamm mixed mode can realize local field enhanced absorption. We use F-P cavity resonance, optical Tamm state and surface plasmon resonance mechanism to achieve enhanced absorption, and the principle to carry out some research based on the enhanced absorption. In the second part, we mainly study the sandwich structure of metal containing multi-channel enhanced absorption in the visible range. The sandwich structure is designed in this paper, the insertion of a symmetric photonic crystal by a metal film and a photonic crystal heterostructures, that can achieve multi-channel enhanced absorption in the visible range, and has a good absorber. This way we adjust the absorption device The number of cycles, can be achieved from single to multi channel enhanced absorption. Through the analysis of electromagnetic field distribution, we found that the physical mechanism of nearly completely absorbed mainly derived from F-P cavity resonance, optical Tamm state or both. In addition, we also studied other properties of absorber heterostructure photonic crystal can not only. Instead of metal materials to be used as a mirror for high performance, reduce energy loss, can also choose the band range, the resonance frequency is adjustable. The change of metal film thickness, polarization and incident angle frequency will affect the absorption rate and absorption rate. In the third part, we mainly study the enhanced absorption in the infrared region with transparent conductive thin film photonic crystal. The photonic crystal containing metal can be excited by surface plasmon resonance and optical Tamm state, but because of the loss of metal is relatively large, we try to use transparent Guide Film ITO, GZO, AZO to replace the metal film. First of all, in the visible range by using the envelope method to calculate the single ITO, GZO, AZO in the near infrared film thickness, according to the Drude model were fitted by ITO, GZO, the dielectric constant of AZO thin films. Then, we have designed a Kretschmann structure: Prism-SiO2-ITO, Prism-SiO2-GZO and Prism-SiO2-AZO, results show that in the infrared range, when light at a certain incident angle, polarization in TM can be nearly completely absorbed. Analysis of the distribution of electromagnetic field at the interface, found in the strongest magnetic field, containing transparent conductive thin film photonic crystal can inspire SPPs, to achieve enhanced absorption. Finally, we design the structure ITO- GZO-: photonic crystals, photonic crystals and photonic crystals. AZO- proved that when light is incident in the infrared range TE, TM polarization can achieve nearly completely absorbed. Analysis of the electromagnetic field distribution is found by The results of the action of the optical Tamm state show that the transparent conductive film has the properties of metal like, and the SPPs and optical Tamm states can be excited under a certain condition.

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O734;TB383.2

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