基于表面等离子体激元的滤波器与吸收器设计

作     者：王金成 

作者单位：黑龙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高扬

授予年度：2024年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：表面等离子体激元 微纳结构 波导滤波器 超材料 吸收器 

摘      要：随着微纳加工水平的提高,金属微结构的制作已成为现实。近年来,亚波长光学领域中的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）应用越来越频繁。当入射电磁波与金属表面的自由电子耦合共振时,会激发出SPPs,这种表面波具有强烈的局域特性和可调控性。本论文根据SPPs的微纳结构,设计了一种滤波器和两种吸收器,通过时域有限差分方法（Finite difference time domain,FDTD）对其进行了仿真模拟和理论分析。具体研究如下: （1）设计了一种基于双边非对称等边三角环的等离子体带阻金属-介质-金属波导滤波器。通过FDTD和耦合模理论的仿真模拟和理论研究,发现改变谐振腔的数量和位置可以调节滤波器的传输特性。滤波器的最小透射率和灵敏度（Sensitivity,S）分别为0.1%和1149 nm/折射率单位（Refractive index unit,RIU）,品质因子最高为99。 （2）设计了一种基于梯形银阵列的近红外波段偏振不敏感超材料完美吸收器。采用三维时域有限差分方法分析了吸收器的传输特性,实现了在1492.5 nm处超过99.9%的吸收率。通过等效电路模型理论和电磁场分布解释了窄带吸收的物理机理。传感性能分析结果显示,吸收器的灵敏度和品质因数（Figure of merit,FOM）分别为228 nm/RIU和1378 RIU-1。 （3）设计了一种基于Ti-GaAs-Au结构的超宽带高效太阳能吸收器。通过研究结构几何参数对吸收性能的影响,发现所提出的太阳能吸收器在波长范围内具有超过96.52%的平均吸收率。通过FDTD对吸收机理进行分析表明,由于SPPs、局域表面等离子体共振和腔共振的激发,增强电磁场从而产生了优异的吸收性能。