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基于超强透射现象的高增益金属缝隙天线设计

基于超强透射现象的高增益金属缝隙天线设计

作者：朱元安徽大学

学位级别：硕士

自1998年Ebbesen等人发现光的超强透射现象以来,对该现象的机理及应用研究成为光领域的热点。由于超强透射现象在光学设备领域取得了显著成果,因此对微波器件方面的应用研究,也引起了越来越多学者关注。随着研究的深入,在微波波段天线... 详细信息

自1998年Ebbesen等人发现光的超强透射现象以来,对该现象的机理及应用研究成为光领域的热点。由于超强透射现象在光学设备领域取得了显著成果,因此对微波器件方面的应用研究,也引起了越来越多学者关注。随着研究的深入,在微波波段天线、滤波器等微波器件也有相应技术突破。本文将超强透射现象应用到天线的设计中,有效地提高了天线的增益及性能。本文主要工作如下:1.对超强透射现象的表面等离子体激元理论、谐振腔理论、复合衍射衰逝波理论进行了分析,阐述了该现象发生的机理。2.将等效电路法应用于周期性金属狭缝结构分析,结合电磁场基本理论计算了反射系数、传输系数,分析了透射特性。将等效电路法的分析结果与基于有限元法的HFSS软件的结果进行对比,二者吻合较好,从而表明了该方法的有效性。3.将超强透射现象应用到天线设计中,并结合等效电路模型设计了一款高增益缝隙天线。通过在铝板刻蚀对称凹槽并增加金属边墙,有效地改善了天线的性能。分析及测试结果表明:天线覆盖10.88GHz-11.06GHz、11.48GHz-11.68GHz、14.60GHz-14.90GHz 和 15.38GHz-15.87GHz 四个频段,最大增益达到 22dB。

关键词：超强透射等效电路多频段波导馈电缝隙天线

MIM复合结构超强透射特性及其在微带天线中的应用研究

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MIM复合结构超强透射特性及其在微带天线中的应用研究

作者：潘旭安徽大学

学位级别：硕士

1998年,Thomas Ebbesen等人在研究周期亚波长孔阵列的透射特性时发现,当入射光波通过金属薄膜孔时存在着光的超强透射(extraordinary optical transmission,EOT)效应。自此,这种增强透射现象吸引了众多学者对周期性亚波长孔阵列透射特... 详细信息

1998年,Thomas Ebbesen等人在研究周期亚波长孔阵列的透射特性时发现,当入射光波通过金属薄膜孔时存在着光的超强透射(extraordinary optical transmission,EOT)效应。自此,这种增强透射现象吸引了众多学者对周期性亚波长孔阵列透射特性的关注。随着研究的深入和制作工艺的提高,超强透射的研究突破了传统的简单孔缝结构,朝着多层复合、孔缝复合、太赫兹波段、微波等新方向发展。目前,众多的学者已对简单结构光波段超强透射的产生机理和应用进行了大量研究,但关于多层复合结构的超强透射特性及其应用潜力还未得到充分的发掘。本文基于超强透射的相关理论,设计了一种金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIIM)复合型超强透射结构,并且分析了该结构的异常特性。通过将超强透射结构引入微带天线的覆层结构设计中,有效地提高了天线的增益,改善了天线的方向性。论文的主要工作有以下几个部分:一、本文对国内外超强透射现象的研究进展及其在天线应用上的研究现状进行了介绍,同时对超强透射产生的基本物理机制进行了阐述。二、设计了一种内嵌对称开口谐振环(Split Ring Resonators,SRR)的MIM复合超强透射结构,研究了单元结构的阵列周期、圆孔半径、SRR尺寸、SRR单元的间距、介质板厚度等参数对MIM复合结构透射特性的影响。根据产生超强透射现象时金属表面的电流分布,该异常透射与磁极化谐振,局域表面等离子体,传播型表面等离子体,法布里-珀罗谐振及它们之间的杂化耦合有关。三、将准周期性超强透射结构引入天线设计中,通过采用6×6的超强透射单元阵列作为天线覆层置于简单微带天线之上,设计了一种新型高增益微带天线。与原始天线相比,增加超强透射覆层结构的微带天线增益提高了 5.2 dB。同时,天线的xoz、yoz面半功率波瓣宽度分别减少32度,92度,实物测试与仿真结果较吻合。

关键词：超强透射金属-介质-金属开口谐振环微带天线高增益

亚波长槽缝结构中超强透射机理及在光纤通信中的应用研究

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亚波长槽缝结构中超强透射机理及在光纤通信中的应用研究

作者：秦子健南京理工大学

学位级别：硕士

自在亚波长金属小孔阵列中发现超强透射现象以来,人们对于这一现象的物理机制进行了广泛的研究并利用这一现象来设计光学器件。研究表明表面等离子体在超强透射现象中起到了至关重要的作用。本文基于以上的研究背景,从麦克斯韦方程出发... 详细信息

自在亚波长金属小孔阵列中发现超强透射现象以来,人们对于这一现象的物理机制进行了广泛的研究并利用这一现象来设计光学器件。研究表明表面等离子体在超强透射现象中起到了至关重要的作用。本文基于以上的研究背景,从麦克斯韦方程出发,利用严格耦合波理论,分析了超强透射的物理机理,研究了槽缝结构,并设计出一种亚波长金属结构,此结构在常用的光纤通讯窗口(1550nm)处实现了光放大和光隔离的结合。本文的研究内容分为以下三个部分： 1.由于目前超强透射现象的物理机制还不是很明确,目前国际上有三种公认程度较高的模型,分别是表面等离子体激元(SPP),复合衍射衰逝波(CDEW)和谐振腔(CM)模型。本文把亚波长金属结构简化为一个三层薄膜透射情况,利用导纳矩阵推导出近似情况下的透射率计算方式。利用严格耦合波理论分析了单层薄膜单狭缝结构中结构参数对透射率的影响,并把分析结果和推出的解析解进行比较,验证了近似情况下解析解的正确性,并利用提出的模型解释了结构参数对透射率的影响,为理解超强透射现象的物理机制提供了参考。 2.超强透射现象正被不断地应用于光学集成器件的设计中,但目前实验和数值模拟研究较多的波段是为380nm-800nm,而目前在应用前景较广的光纤通信窗口研究较少。本文利用严格耦合波理论(RCWA),研究了单缝-凹槽结构参数对超强透射现象的影响,发现了两个现象：(1)透射率会随凹槽与狭缝的距离变化发生周期性变化,另外透射场振幅会随着凹槽与狭缝的距离变大而呈现下降趋势;(2)随凹槽数量不断增大,透射增强和削弱程度不断加大,当凹槽数量达到一定程度时(本文结构中凹槽数量n=4时)透射增强和削弱的程度会趋于稳定。 3.通过研究单狭缝中结构参数对超强透射的影响,根据单狭缝结构中透射增强峰和削弱峰的位置,设计凹槽的位置,在1550nm处实现了在同一槽缝结构中光的放大和隔离两个功能。为了更好的实现光的放大和隔离效果,本文设计了周期性双缝结构,通过合理的参数选取,在1550nm处取得了更好的光放大和隔离的效果,由于1550nm这个通信窗口的特殊性,使得本文的设计结果对超强透射现象在光通信领域的应用有一定的参考意义。

关键词：表面等离子体严格耦合波超强透射狭缝-凹槽 1550nm 放大隔离

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亚波长结构金属缝隙超强透射特性的研究

亚波长结构金属缝隙超强透射特性的研究

作者：邸思北京交通大学

学位级别：硕士

1998年Ebbesen等人首次报道了光波透过金属薄膜上的亚波长孔径阵列时会产生超强透射现象。此报道吸引了科学家们的极大兴趣，使得对于金属孔径透射特性的研究迅速成为亚波长光学中的研究热点。研究孔径结构中最简单也最为典型的缝隙结... 详细信息

1998年Ebbesen等人首次报道了光波透过金属薄膜上的亚波长孔径阵列时会产生超强透射现象。此报道吸引了科学家们的极大兴趣，使得对于金属孔径透射特性的研究迅速成为亚波长光学中的研究热点。研究孔径结构中最简单也最为典型的缝隙结构，极有可能揭示产生这种超强透射现象的物理本质，自然成为科技工作者们研究的重点。同时，亚波长金属缝隙的超强透射特性又使其在新型光器件的研发和生物分子检测等方面具有十分广阔的应用前景。本文基于严格的电磁场理论，从麦克斯韦方程组出发，应用边界积分方法对各种结构金属缝隙的透射特性做了比较详细的分析。其中对于喇叭形金属缝隙的研究属于创新性工作，目前未见报道。本文的主要研究成果有：[1]研究了无限长结构的亚波长金属缝隙在不同介质中的透射特性，发现透射峰值波长与缝隙周围介质折射率间存在线性关系。根据这一结果可将此结构应用于光传感技术，测量介质折射率的微小变化。[2]研究了有限结构的亚波长矩形金属缝隙的透射特性，并考查了不同参量改变时，如不同金属材料，不同几何结构对其透射特性的影响。调查发现透射谱在500～750nm的波长范围内存在两个透射峰，且找出了产生透射峰的物理起因：短波透射峰对应于金属材料的种类，长波透射峰对应于缝隙的几何结构。即适当地选取金属材料和几何结构参数，可以独立地调制所需要的波谱。此调查结果可用于未来光通信中实现波分复用和解复用技术等。[3]首次研究了有限结构亚波长喇叭形金属缝隙的透射特性，详细讨论了对称结构(同质结)和非对称结构(异质结)情况下喇叭形结构参数对缝隙透射特性的影响，提出并讨论了喇叭形缝隙与阶梯形缝隙间光学特性的近似等价关系。本研究对未来设计和制作亚波长结构光学器件提供了有价值的技术参数。

关键词：亚波长金属缝隙超强透射

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周期性倾斜边狭缝阵列金膜结构的超强透射

湖南工业大学学报 2011年第6期25卷 29-32页

作者：周昕李雪勇易秀英陈星辉湖南工业大学理学院湖南株洲412007 湖南科技职业学院机电系湖南长沙410118

利用时域有限差分法,研究了具有亚波长倾斜边狭缝周期性结构金属膜的透射特性。研究发现:当改变2层狭缝的侧向位移时,透射谱发生变化。通过分析电场和总电磁场能量分布图,揭示了透射源于2种不同的共振机制:限制在狭缝内区域的局域波导... 详细信息

利用时域有限差分法,研究了具有亚波长倾斜边狭缝周期性结构金属膜的透射特性。研究发现:当改变2层狭缝的侧向位移时,透射谱发生变化。通过分析电场和总电磁场能量分布图,揭示了透射源于2种不同的共振机制:限制在狭缝内区域的局域波导共振模式和电磁场能量分布在狭缝两端的表面等离子体共振模式。

关键词：狭缝阵列超强透射局域波导共振表面等离子体共振

太赫兹波段微孔阵列透射现象理论及时域光谱分析

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太赫兹波段微孔阵列透射现象理论及时域光谱分析

作者：贾佳电子科技大学

学位级别：硕士

亚波长透射现象由于突破了经典孔孔理论的限制,在光场局域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力,因此该领域近年来备受关注。本文主要围绕太赫兹波段微孔阵列结构透射现象从理论推导、计算机模拟和实... 详细信息

亚波长透射现象由于突破了经典孔孔理论的限制,在光场局域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力,因此该领域近年来备受关注。本文主要围绕太赫兹波段微孔阵列结构透射现象从理论推导、计算机模拟和实验研究三方面对该现象进行了研究。主要开展的工作如下:1.首先分析单个同轴、矩形微孔中考虑金属中表面等离子体波存在情况下各模式对应的色散关系,通过该分析找出表面等离子体波存在的条件及其随结构尺寸变化的规律。2.研究二维微孔阵列中表面波的色散关系,讨论二维情况下表面波截止频率随单元结构尺寸、周期尺寸及厚度变化规律。3.理论分析平面波入射情况下透射现象,同时考虑s极化和p极化两种极化方式入射情况。主要采用本征函数展开的方法首先对平面波进行展开,采用边界匹配的方法,考虑孔与孔之间的耦合,这样推导出一组耦合方程,通过该方程可以计算出透射率大小、透射峰等参数。4.采用三维计算机模拟对平面波入射情况下(包括斜入射、垂直入射)整个透射过程进行仿真,观察透射场、反射场变化规律,并结合理论工作分析透射峰值与孔阵列尺寸间的关系,以及孔中的模式等物理问题。5.设计相应的实验方案,采用太赫兹时域光谱分析系统对所加工的孔阵列进行实验研究。实验工作分为两个部分:一、研究不同周期长度的孔阵列透射情况。二、研究不同入射极化角度时透射情况。通过上述研究工作我们得出由于入射波在表面激励起了表面波并同时在孔中也激励起了多个模式,这些模式与表面波、入射波在边界处相互耦合使得入射波能有效的透过小孔阵列,出现超强透射现象。

关键词：微孔阵列太赫兹时域光谱超强透射

太赫兹波段金属光子晶体光纤增强拉曼散射现象的研究

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红外与激光工程 2015年第2期44卷 519-522页

作者：邢德胜集宁师范学院计算机系内蒙古集宁012000

深入探究了金属光子晶体光纤的表面增强拉曼散射现象,建立了时域有限差分法的平板结构的模型,利用观察到的超强透射现象得到了发生拉曼散射的理论依据。金属光子晶体在太赫兹波照射下的表面电磁场增强效果的实验中得到:入射波能量越大,... 详细信息

深入探究了金属光子晶体光纤的表面增强拉曼散射现象,建立了时域有限差分法的平板结构的模型,利用观察到的超强透射现象得到了发生拉曼散射的理论依据。金属光子晶体在太赫兹波照射下的表面电磁场增强效果的实验中得到:入射波能量越大,更易激发产生金属光子晶体的表面等离子体共振,可以使金属表面的增强效果得到较大增强;拉曼散射效果在太赫兹波段内十分明显,吸收光谱效果和荧光效应也相对较小,能够显著提高灵敏度和分辨率。

关键词：金属光子晶体光纤表面增强拉曼散射超强透射太赫兹波段灵敏度

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用边界元方法研究亚波长金属光栅的光学特性

用边界元方法研究亚波长金属光栅的光学特性

作者：孙芳北京交通大学

学位级别：硕士

自从光波透过金属薄膜上的亚波长孔径阵列时会产生超强透射现象被报道以来,具有亚波长金属光栅结构的光学现象和器件吸引了科学家们越来越多的关注。然而产生这种超强透射现象的物理本质在科学界依然存在着争议。为了揭示产生超强透射... 详细信息

自从光波透过金属薄膜上的亚波长孔径阵列时会产生超强透射现象被报道以来,具有亚波长金属光栅结构的光学现象和器件吸引了科学家们越来越多的关注。然而产生这种超强透射现象的物理本质在科学界依然存在着争议。为了揭示产生超强透射现象的本质,科学家们首先从缝隙结构进行研究,因为这种结构是孔径结构中最简单也最为典型的结构。另一方面,2003年Ebbesen小组又指出超强透射特性与金属薄膜的几何结构参数有关,而金属薄膜的几何参数为什么会对超强透射特性产生影响将是一个很有意义的课题。本论文基于严格的电磁场理论,从最简单的单缝结构出发,研究了不同的金属单缝结构对超强透射的影响。并进而研究了在组成单缝的金属薄膜上具有浮雕结构的光栅对超强透射的影响即对亚波长金属光栅的光学特性的研究。主要研究有:[1]针对边界积分(BIM)方法速度快、精度低,而二次边界插值(BEM)方法精度高、速度慢的优缺点,将二者优点相结合,得到了优化边界积分方法(RBIM),应用该方法可得到高精度、高速度的数值模拟结果。[2]研究了无限结构的亚波长金属缝隙的对称性对透射特性的影响。研究发现无论缝的几何结构如何,在480～750nm的波长范围内存在两个透射峰,但缝的形状对透射率的影响不同,对称和反对称正弦形曲线缝透射率是矩形缝的两倍。[3]研究了亚波长金属光栅的光学特性。考查了不同周期及不同对称性几何结构的光栅的光学特性。详细讨论了周期光栅和非周期光栅及对称和不对称结构光栅的透射特性。此研究暗示了在亚波长金属结构中采用等效折射率方法的不可行性。

关键词：亚波长金属缝隙金属光栅超强透射

抗紫外、高导电率、透明金属/介质复合薄膜的研究

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抗紫外、高导电率、透明金属/介质复合薄膜的研究

作者：曾丹燕厦门大学

学位级别：硕士

透明导电膜是光电器件中常用的电极材料之一,应用范围十分广泛,因此对其性能、功能和质量的提高具有重要的意义。目前,应用最为广泛的透明导电膜是掺锡氧化铟(ITO)薄膜,但继续提高其导电性和透光率已经越来越困难。而微纳孔结构金属膜... 详细信息

透明导电膜是光电器件中常用的电极材料之一,应用范围十分广泛,因此对其性能、功能和质量的提高具有重要的意义。目前,应用最为广泛的透明导电膜是掺锡氧化铟(ITO)薄膜,但继续提高其导电性和透光率已经越来越困难。而微纳孔结构金属膜具有超强光学特性和优良的导电性能,有潜力成为新一代的透明导电膜材料。本研究采用溶胶凝胶法制备了抗紫外的二氧化铈薄膜,以密排微球为模板制备了具有微纳孔结构的高导电率、透明金属薄膜,并进一步在微纳孔结构金属膜中引入了二氧化铈紫外吸收材料,得到了抗紫外、高导电率、透明的金属介质复合薄膜材料。主要研究内容和取得的成果包括: 1.利用FDTD模拟计算了不同尺寸单孔(缝)的透射光光强,指出经典的Bethe’s Theory不能用宋计算亚波长孔(缝)的透光率。 2.在表面等离激子的作用下,亚波长狭缝具有集光效应。利用FDTD模拟了亚波长狭缝集光效应中的集光系数、耦合能量、耦合效率与狭缝宽度之间的关系。 3.利用FDTD模拟了亚波长单缝金属薄膜和亚波长周期缝结构金属薄膜的透光曲线,得到了结构参数与透光曲线之间的关系。 4.利用分步旋涂法在衬底上制备了微球密排结构。探索了溶液的浓度和分步旋涂转速对微球密排结构的影响,得到了最有利于微球密排的条件。 5.采用溶胶-凝胶法制备二氧化铈凝胶,并采用分步旋涂法在衬底上制备表面平整、抗紫外的二氧化铈薄膜。比较不同条件下得到的实验结果,选择了较优化的溶胶凝胶化时间和溶胶的配方。

关键词：透明导电薄膜超强透射表面等离激子溶胶凝胶抗紫外