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基于近零介电常数材料的特殊波导模式及其激发研究

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基于近零介电常数材料的特殊波导模式及其激发研究

作者：黄丽芳华中科技大学

学位级别：硕士

色散介质与电磁波相互作用时,其介电常数显著依赖于电磁波的频率,其中波速也与频率有关。这类介质材料不仅在自然界中天然存在,随着科学技术的发展人们也可以设计和制备具有特定色散特性的材料。当电磁波的频率在某个频率附近时,某些色... 详细信息

色散介质与电磁波相互作用时,其介电常数显著依赖于电磁波的频率,其中波速也与频率有关。这类介质材料不仅在自然界中天然存在,随着科学技术的发展人们也可以设计和制备具有特定色散特性的材料。当电磁波的频率在某个频率附近时,某些色散材料的相对介电常数值在零值附近,被称为近零介电常数(ENZ)材料。材料的介电常数等于零时会导致材料具有传统材料不具有的一些新的光学特点,例如强耦合效应、隧道效应,近几年对这类材料的研究越来越成为国际学者研究的热点。由于近零介电常数材料本身具有不少新颖的特点,以这种材料为基础的纳米波导结构也成为国际研究的热点,其中“Berreman模式”、“Brewster模式”与“ENZ模式”都是由基于这种材料的波导结构产生的。“Berreman模式”、“Brewster模式”属于辐射模式,而“ENZ模式”属于束缚模式。“ENZ模式”这种特殊的波导模式一般存在于纳米结构的波导中,而该波导结构中存在近零介电常数材料,在近零介电常数材料工作频率附近波导中传播的特殊波导模式被命名为“ENZ模式”。当前对“Berreman模式”与“Brewster模式”的研究已经比较成熟了,近年来研究的热点主要集中在“ENZ模式”,本论文将对薄膜平面波导中的这种特殊模式进行研究。这种特殊波导模式在近零介电常数材料中传播,因而能够使电磁场几乎完全局限于波导的零介电常数介质层,本论文对薄膜平面层状波导结构中的这种特殊波导模式进行了研究。论文利用了介质对电场的局域和非局域响应理论,首先推导了两种情况下波导的色散关系,其中对局域的情况又分两种情况进行了讨论:波导芯层材料为各向同性的均匀材料,以及波导芯层材料为单轴各向异性的均匀材料,而考虑介质非局域效应情况下的波导,这里只讨论各向同性的均匀材料;其次在这些理论推导基础上,通过数值求解我们对局域与非局域两种情况的波导色散曲线进行了研究,并且特别当相对介电常数的值趋近零时,对波导中电场强度的分布情况进行了分析,从而得到当波导结构中存在这种特殊的波导模式时,近零介电常数材料中电场强度发生了极大增强的结论;论文又研究了如何实现对近零介电常数波导中特殊导波模式的激发,这里我们用基于有限元的数值模拟方法(COMSOL Multiphysics)进行研究,并且探讨了波导对偶极子辐射体辐射功率的影响,这为实现电偶极子辐射速率的调控提供了理论基础。超薄的半导体波导结构运用先进的纳米技术是可以制造的,人们可以使用这种结构波导的ENZ模式进行电场的定向完美吸收、ENZ模式在超快电压调制强耦合、光电调制器、超快的热辐射和量子发光体自发辐射控制等方面都有重要的应用。

关键词：表面等离激元近零介电常数材料近零介电常数波导模式非局域效应电偶极子辐射

基于近零介电常数材料和金属亚波长结构的混合超表面研究

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基于近零介电常数材料和金属亚波长结构的混合超表面研究

作者：郭敏华中科技大学

学位级别：硕士

超表面是一种以亚波长金属或介质结构作为功能单元来构建的二维超材料。合理设计超表面单元结构可以开发出具有不同电磁共振响应的超表面器件,进而在亚波长尺度上对电磁波特性进行调控,拓展了设计的多元性。而引入其他新型材料并将其与... 详细信息

超表面是一种以亚波长金属或介质结构作为功能单元来构建的二维超材料。合理设计超表面单元结构可以开发出具有不同电磁共振响应的超表面器件,进而在亚波长尺度上对电磁波特性进行调控,拓展了设计的多元性。而引入其他新型材料并将其与超表面结构结合构成的混合超表面器件,将进一步拓展其性能和应用领域。近零介电常数（Epsilon-near-zero,ENZ）材料是一种在一个或多个波长处介电常数实部趋近于零的特殊材料,其具有的独特物理效应为支持光学系统耦合效应提供了一个新颖的平台。将ENZ材料与超表面结构结合,充分利用二者的共振耦合作用有望开发具有特殊性能的新型超表面器件。本论文主要针对基于ENZ材料和金属亚波长结构的混合超表面器件展开了研究。主要工作包括以下两个方面:（1）利用ENZ薄层材料与亚波长金属不对称双棒阵列设计了一种混合超表面,其可以在光通信波段实现双透明窗口。其中氧化铟锡薄层在1.55μm处作为一种ENZ材料并支持ENZ模式。仿真结果表明,该器件实现的双透明窗口分别来源于两种不同的耦合效应。在1.31μm处,由亚波长双棒的杂化耦合作用导致的类电磁诱导透明效应产生第一个透明窗口;在1.55μm处,ENZ模式与金属长棒偶极子共振模式发生强耦合效应,由于模式分裂从而产生第二个透明窗口。这种基于ENZ材料和金属亚波长结构的混合超表面器件结构简单且具有独特的光谱特征,为超表面器件提供了新的设计思路。（2）设计了一种由ENZ材料和金属亚波长结构组成的混合超表面宽带吸波器。ENZ材料支持的ENZ模式与“金属-绝缘体-金属”结构支持的等离子体共振模式能够发生有效耦合。仿真结果表明,该器件在中红外波段的宽光谱范围（2.55～3.30μm）内可实现超过90%的高吸收率,其带宽高达750 nm。进一步,利用阻抗匹配原理验证了宽带吸波性能。此外,基于器件缩放和ENZ材料的可调谐性,该设计思想可以扩展到其他波段,这为宽带吸波器的设计提供了一种简单新颖的方法。

关键词：超表面近零介电常数材料共振耦合效应透明窗口宽带吸波

近零介电常数等离激元共振在表面增强红外吸收谱中的应用

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近零介电常数等离激元共振在表面增强红外吸收谱中的应用

作者：马鹏华苏州大学

学位级别：硕士

表面等离激元由于其很强的局域场增强的特性在表面增强红外吸收光谱(SEIRA)方面有着重要的应用。然而,由于贵金属在中红外波段急剧增长的介电常数,导致表面等离激元的品质急剧下降,半峰宽通常都很宽。而石英晶体在特定的红外波段其介电... 详细信息

表面等离激元由于其很强的局域场增强的特性在表面增强红外吸收光谱(SEIRA)方面有着重要的应用。然而,由于贵金属在中红外波段急剧增长的介电常数,导致表面等离激元的品质急剧下降,半峰宽通常都很宽。而石英晶体在特定的红外波段其介电常数接近于零,可作为一种近零介电常数材料。当贵金属等离激元天线位于介电常数材料衬底上时,等离激元天线的响应,特别是等离激元场的局域性以及品质因子,会有很大增强。因此,本论文的目的是用石英晶体这种天然近零介电常数材料作为衬底,设计合适的贵金属天线,激发近零介电常数等离激元模式,并研究其在SEIRA中的应用。本论文分别设计研究了棒状天线阵列和U型天线阵列的近零介电常数等离激元模式,并用PMMA分子验证了近零介电常数等离激元模式在SEIRA中的应用。本论文的主要研究成果如下:(1)我们在石英晶体衬底上制备了棒状金天线阵列,激发出了近零介电常数等离激元模式并观测到了模式的“钉扎效应”,论证了天线短轴方向的周期对“钉扎”效应的影响。同时,我们发现调控天线的尺寸可以很好调控这种近零介电常数等离激元模式,并实验证明了近零介电常数等离激元棒状天线阵列在SEIRA上良好的应用。(2)我们在石英晶体衬底上设计了金U型天线阵列,论证了尺寸对近零介电常数等离激元模式的良好调控。在SEIRA实验中,我们测得了近零介电常数等离激元模式和PMMA分子振动之间的耦合所引起的模式劈裂和反交叉现象。通过耦合谐振子模型的计算,我们证明近零介电常数等离激元模式和PMMA分子振动之间的耦合是强耦合。此外,我们证明了耦合强度与PMMA分子层厚度的平方根成正比关系,以及耦合强度对入射光偏振角度的敏感性。本论文验证了基于近零介电常数材料为衬底的棒状天线阵列和U型天线阵列在SEIRA上的良好应用,尤其用U型天线阵列实现了表面等离激元在红外波段与分子振动的强耦合。这些结果可为超灵敏中红外光谱的研究提供新的思路。

关键词：表面等离激元近零介电常数材料表面增强红外吸收光谱振动强耦合

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基于ENZ超材料及光栅的光学设计

基于ENZ超材料及光栅的光学设计

作者：王宇中北大学

学位级别：硕士

基于超材料的光学纳米天线是微纳光子学的热门研究领域之一,在医学、量子信息、激光、通信光学成像等领域中具有很高的研究价值和发展潜力。光学纳米天线可用于高频段传输,可以实现精确的信号定位,具有更小的体积,并支持更多的高效通信... 详细信息

基于超材料的光学纳米天线是微纳光子学的热门研究领域之一,在医学、量子信息、激光、通信光学成像等领域中具有很高的研究价值和发展潜力。光学纳米天线可用于高频段传输,可以实现精确的信号定位,具有更小的体积,并支持更多的高效通信技术。而不同材料在应用上也可以为基于超材料的光学纳米天线提供更多的可能性,例如近零介电常数材料(Epsilon-near-zero,ENZ)。论文工作主要基于近零介电常数材料(氧化铟锡)的光学纳米天线及其多极子耦合作用导致的远场辐射特性为主线展开了以下的研究内容:(1)讨论了一种基于具有大的光学非线性的ENZ材料的可调谐超材料吸收器。研究了超材料可以通过改变入射强度而动态控制其吸收特性。由ENZ材料和电介质材料组成的混合结构可表现出非互易特性。通过改变入射光束的强度,混合结构的吸收可以从50%调到90%。研究为超材料吸收的超快动态控制提供了一种新的方法,可应用于微测辐射计、热成像、采集、减少散射、光电探测和隐身技术等。(2)主要设计了基于氧化铟锡(ITO)的混合光学天线,其中以光学方式调整远场辐射角度的偏转。ITO和硅(Si)的混合结构天线,它能够实现偏转角随着入射强度的增加而变化20.5°。最后研究了ITO或ITO-Si混合纳米盘的阵列结构,该结构可以增强单方向性。主叶的角束宽度α<8°。这为进一步研究和应用光束转向和光学调制提供了新思路。(3)利用有限元分析(FEA)和严格耦合波分析(RCWA)方法,对传感器的机械和光学性能进行了模拟。结果表明,该光学加速度计在整个测量范围内具有2.21%/μm的光学灵敏度,424%/g的系统灵敏度和3.21%的交叉灵敏度。此外,该传感器的一阶谐振频率为35.995Hz,线性测量范围为±0.0177g。与其他低频传感器相比,该传感器具有高性能的特点,适用于惯性导航制导系统、空间海洋重力分布测量、人工智能等高科技领域。

关键词：近零介电常数材料氧化铟锡光学纳米天线辐射调控加速度计