红外波段十字阵列光吸收材料光学特性研究

尺寸为光波长量级的微纳结构材料与电磁波的相互作用,使得其具有许多特殊的光学性能,金属-电介质-金属微纳结构具有电磁波完美吸收特性。基于S参数法,研究十字阵列光吸收材料在红外波段的光学特性参数,分析其谐振吸收机理及光学特性参数调谐性。研究结果表明,十字阵列单元尺寸对其等效光学参数具有调谐作用;当材料表面与入射介质之间满足阻抗匹配条件,以及等效折射率系数虚部值足够大时,可以有效提高其吸收率;经过结构优化的十字阵列光吸收材料在红外波段具有大于95%的吸收率,实验样件测试结果大于80%。十字结构臂长和电介质层厚度决定吸收谱特性,而十字结构臂宽仅仅影响吸收谱峰值大小。十字阵列光吸收材料在红外波段的完美吸收及光谱调谐性特点,使其可用于红外探测和光谱成像等领域。     

金属-介质-金属波导布拉格光栅的模式特性

研究分析了金属-介质-金属(MIM)波导布拉格光栅(WBG)结构中的反对称和对称等离激元模式的色散关系和传输特性。计算分析了金属为银、介质层厚度为700nm时,不同介质材料情况下两种模式的截止特性及色散关系。在此基础上用布洛赫模式分析法探讨了两种介质交替排列构成的MIM WBG结构的反对称与对称模式的能带结构;并用传输矩阵法计算了透射谱,发现结构在通信波段的模式滤波特性。进一步讨论了对称模式的截止频率、模式传输特性与材料和结构参数的依赖关系。通过对结构材料参数及几何尺寸的选择及优化,可以实现在特定波段的宽带或窄带滤波及模式滤波功能,该结构在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。     

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1eV增大到1.0eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.     

基模磁激元诱导的多带完美吸收

本文提出一种方向不敏感多带吸收的新结构,即结合光学声子色散材料及无色散介电材料,将其作为单一尺寸金属/介质/金属微光栅的介质分离层。在红外大气窗口波段激发了基模磁激元谐振因此导致多频带吸收。基于有限元方法求解了混合结构的吸收率及电磁场分布,并研究了入射角及结构参数的变化对多峰值吸收的影响。考虑到磁激元的本质是由金属光栅下表面与金属基底上表面诱导出反向电流震荡引起,多层介质膜起到介电隔离层的作用。对多层介质膜进行等效介质理论近似,并通过等效LC电路预测和分析了基模磁激元谐振频点。本文所提出的多带吸收机理在红外探测、辐射制冷领等域具有应用前景。     

滑动盖板对一维微尺度光栅红外辐射特性影响

电磁波入射到微尺度周期性结构表面时,一定条件下将在某一波段产生异常光吸收现象。基于该特性,本文提出了单边移动盖板光栅和双边移动盖板光栅两种光栅结构,并使用严格耦合波分析(RCWA)方法对TM波垂直入射的一维微尺度光栅表面辐射特性进行了分析,研究了滑动盖板的厚度和位置对光栅表面结构辐射特性的影响。结果表明,相同盖板厚度,双边移动盖板光栅形成的发射率峰较单边移动盖板光栅形成的发射率峰具有较宽的半高全宽(FWHM),但峰值较低;随盖板向关闭侧移动,高发射率峰对应波长向长波方向移动;随盖板厚度增加,发射率峰向长波方向移动,其中双边移动盖板光栅结构形成的发射率峰变宽,峰值变小。     

一维电介质-金属光子晶体的光学特性研究

利用传输矩阵方法,研究了一维电介质-金属光子晶体的光学特性,该光子晶体通过在Si/SiO₂组成的电介质型光子晶体中插入一定厚度Al层形成。计算结果表明,金属层的引入可以有效提高反射效率,[Si(46 nm)/SiO₂(60 nm)/Al(10 nm)/SiO₂(60 nm)]5结构的单位周期传输衰减从[Si(46 nm)/SiO₂(120 nm)]5的7.2 dB增大到了20 dB;可以得到更宽频率范围的全方向反射带隙,例如[Si(46 nm)/SiO₂(60 nm)/Al(30 nm)/SiO₂(60 nm)]5结构即可提供550 nm带宽的全方向反射;同时讨论了金属吸收、金属层厚度及插入位置对其光学特性的影响。这种电介质-金属光子晶体有望作为性能优异的光学反射镜得到应用。     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

微结构气体夹层的导热和辐射比较

气体夹层作为散热或绝热机构在微传感器、微驱动器等微器件中是经常出现的。通常认为,气体夹层的导热是微结构表面间热量传递的主要方式,而表面间的热辐射可以忽略不计。本文比较了不同尺度和温度下电介质材料表面间导热和辐射换热的相对强弱,发现当辐射表面间距离只有十几个纳米的时候,辐射换热会大大强于导热。根据不同尺度和温度下导热和辐射相对强弱的不同,对微结构中电介质材料表面间热传递的主要方式进行了划分。     

基于LiF和NaF的超宽带红外吸收器

设计了一种基于LiF和NaF材料的光栅型超宽带红外吸收器,并采用频域有限差分法对其吸收特性进行了研究。研究结果表明,单独采用LiF(或NaF)和电介质材料构成的光栅型吸收器都具有较宽的吸收带,但其吸收带处于不同的红外波段。同时采用LiF、NaF及电介质材料构成的光栅型吸收器可以把这两个吸收带衔接起来。通过优化参数,在入射波长为15~45μm、入射角度为0°~80°的范围内,吸收器的吸收率达到80%以上,实现了宽带吸收。结构中复合层的层数对吸收率有最大的影响,电介质层的厚度对吸收率的影响较小。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

石墨烯对金属平行平板间近场辐射的调控

本文研究了微纳尺度下金属平行平板间辐射换热的问题,说明了微纳尺度下的近场效应使得结构间的辐射换热得到了极大的增强,并大大超过了黑体辐射的理论极限。并通过在结构中引入石墨烯层,研究了石墨烯对金属平行平板结构近场辐射的调控作用。结果表明,与电介质材料的增强效果不同,石墨烯层的引入有效的抑制了新结构中的近场效应。和结构的特征尺寸相比,单层石墨烯具有非常小的厚度,因此可以认为石墨烯具有非常好的热调控前景。     

一维光子晶体中金属层内的电场分布增强

利用传输矩阵方法,研究了一维电介质-金属光子晶体的光学传输特性和金属层内的电场分布情况。计算结果表明,通过引入增透膜和优化结构参数,可以明显改变电介质-金属光子晶体的光学性能：在19%透射率的情况下,金属层内的平均电场相对于入射光场可以达到77%;而在金属层内平均电场相对入射光场为28%的情况下,可得到72%的透射率。这种可显著增强金属层内电场分布并且透射率、金属层内场强可调的光子晶体结构有望在非线性光子器件中得到重要应用。     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

基于被动毫米波图像的金属目标特征提取方法[BT)]

针对探测金属目标时其中心难以确定的问题,提出了分割被动毫米波辐射图像过渡带的算法以精确获取其几何尺寸及特征;通过实测金属立体目标的辐射数据矩阵进行成像,对毫米波辐射图像进行基于Canny算子的边缘检测与分析,结合金属目标辐射特性以及天线参数分割目标边缘过渡带,计算金属目标的面积、周长并提取其中心位置;实验结果表明,该方法误差控制在9.3%以内,可以精确提取金属目标几何特征及目标中心。     

含各向异性左手材料一维光子晶体的传输特性分析

采用光学传输矩阵方法,研究了由各向异性左、右手材料交替排列构成的一维人工周期结构的带隙结构和传输特性,讨论了反射率随入射角度的变化关系。结果表明,含各向异性左手材料的光子晶体比传统的光子晶体有更宽的禁带;含各向异性左手材料的一维光予晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对某一低频波段的全方位反射;通过适当选取左手材料的参数,禁带中会出现狭窄的透射峰。     

一维金属光栅的光学反射吸收

利用RCWA(rigid coupled-wave analysis)方法研究了一维金属光栅的反射特性,考察了 瑞利反常、表面等离激元驻波共振和几何共振三种共振吸收机理,分析了这三种机理的相互作用,如表面等离激元驻波共振和几何共振可以形成混合模式. 在反射式复合金属光栅中,确认了第四种共振形式,即相位共振. 数值计算表明相位共振对光学吸收的影响有两种形式: 当光栅周期大于一个波长时,相位共振导致尖锐的吸收峰,峰位在几何共振吸收峰一侧;当光栅周期小于一个波长时,相位共振导致混合模式的共振吸收峰发生劈裂. 对一维金属光栅反射特性的研究增加了对金属光栅共振吸收模式及其相互作用的认识. 关键词： 一维金属光栅 瑞利反常 表面等离激元 相位共振     

蛋白石型光子晶体红外隐身材料的制备

基于光子晶体的红外隐身材料,主要采取一维层层堆叠结构和三维木堆结构等来实现对红外波段电磁波辐射性能的调控.本文报道了一种操作简易、成本低廉的光子晶体红外隐身材料制备方法.通过优化的垂直沉积法,微米级SiO_2胶体微球自组装成高质量的蛋白石型光子晶体结构.对SiO_2胶体微球进行优选,成功制备了禁带位于2.8—3.5μm,8.0—10.0μm的SiO_2胶体晶体蛋白石型光子晶体材料.该材料可改变目标相应波段的红外辐射特征,具有目标红外波段的隐身效果.     

基于表面等离激元的金属波导全光开关设计

利用金属表面等离激元(SPP)对光波的束缚和局域增强作用,设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用,确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离,防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法(FDTD)对开关性能进行仿真,结果表明:新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2时其消光比达到7.32 d B,开关响应时间小于2 ps,结构的横向尺寸约为400 nm。     

一维Au/MgF2光子晶体的透射性质

理论上研究了一维金属/电介质光子晶体的透射率性质，用传输矩阵方法数值计算了Au/MgF2光子带隙晶体的透射率．发现周期性结构产生的透射共振会大幅度增加光通过层状金属的透射率．通过调节一维Au/MgF2光子晶体中金和氟化镁的厚度以及周期数，得到了可见波段的高透射允带，透射率在0.4以上，而对于可见波段以外的频率几乎是完全不能传输的．这种结构在保持了高透射率的前提下还具有金属的优点，这在传感器、护目装置、反射窗、液晶显示等诸多领域都有很大的实用价值．