基于微纳结构的电磁操控研究与应用设计

摘要

随着纳米光子学的迅速发展，光学器件微型化和集成化的需求也越来越多。传统光学器件，受材料本身和衍射效应等因素制约，限制了其在更小尺度的设计与应用。近些年来，超表面和等离子体波导共振腔结构的发展，使得研究人员对于电磁波调控、微纳传感器件的设计和研究思路进一步扩展，为光学器件的微型化和集成化提供了新的途径。本论文正是基于以上背景，研究了由矩形硅纳米天线组成的电磁调控超表面和基于矩形波导共振腔的滤波传感器件。对电磁波与上述两种微纳器件相互作用的机理进行了探讨，并且利用仿真软件对其建模分析，最后对两类器件进行了结构优化。 具体研究内容如下： 1、分析了二氧化硅衬底上的矩形硅纳米天线对电磁波的散射。首先从矩形纳米天线的几何参数入手，分别讨论了硅纳米天线的长、宽、高和旋转角对于从 SiO2衬底下方入射的圆极化电磁波的透射的影响。从仿真中得到，改变纳米天线的几何参数对其电磁响应产生了显著的影响。当长、宽、高分别增大时，透射率曲线均产生了红移，且在一定波长范围内的透射率峰值有所提高。通过旋转纳米天线的朝向可以得到出射电磁波相位在 0-2π范围内相应的改变，这种对出射电磁波相位的线性调制特性非常有利于对电磁波的波前进行调控。当入射波为左旋圆极化波，通过纳米天线之后，在出射端检测到右旋圆极化波，从而证明了矩形硅纳米天线有很好的极化转换特性。我们利用电偶极子和磁偶极子理论对硅纳米天线的共振机制进行了分析，探讨了硅纳米天线发生上述电磁响应的内部机制。最后考虑实际加工情况，对矩形纳米天线进行了圆角化处理，仿真发现该硅纳米天线具有较好的加工容忍度，在钝化情况下其性能未受到根本性的影响。 2、利用前述寻找出的最优尺寸纳米天线作为基本单元构造功能性超表面。首先从广义Snell定理出发，分析了异常折射超表面的工作机理，设计并验证了利用相位不连续实现的反常折射超表面；对其进行扩展，进一步设计了三路分光超表面，仿真验证了超表面上不同的相位延迟可以引起不同区域出射光偏折角度不同，从而实现分光束功能。之后，利用纳米天线对电磁波的线性相位调制特性，通过对相位延迟的计算，设计了单聚焦超表面。最后利用阵列法和计算全息两种方法分别设计了双聚焦超表面。在双聚焦超表面的基础上，继续利用计算全息法设计了三聚焦、四聚焦超表面。对以上各聚焦超表面均利用软件进行仿真，且得到了预期的聚焦效果。 3、扩展了本课题组之前研究的二维金属-介质-金属（MIM）表面等离子体波导，首次在近红外频段对三维矩形波导谐振腔结构进行了研究。通过在竖直方向的拉伸并且增加辅助盖板，使之形成三维矩形波导加柱形共振腔的结构，该结构表现出了类似带通滤波器的功能。本文对圆柱形共振腔和带挡板的柱形共振腔进行了对比研究。探讨了矩形波导共振腔高度和共振腔内挡板长度对器件特性的影响。当器件高度和挡板长度分别增加时，透射曲线峰值均会产生明显的红移，且随着挡板长度的增加透射率峰值会显著下降。在仿真中，增加挡板后，无论是高度或是腔内折射率的改变，透射曲线的移动都更加剧烈，说明整个器件的敏感度增高。通过以上对矩形波导谐振腔的讨论，为今后类似器件的研究和设计奠定了良好的基础。

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