红外超材料吸收器的可调谐特性研究

摘要

电磁超材料是一种人工复合结构的材料,具备许多自然界中材料所不具有的超常物理特性.近十年来,电磁超材料引起了科研人员的广泛兴趣并获得了快速的发展,其中超材料吸收器作为超材料研究中的重要部分,从一出现就获得了足够的关注.早期的吸波材料的吸收特性主要来源于材料本身,具有体积庞大、吸收效率低等缺点,而超材料吸收器通过合理地结构设计能在微波、太赫兹、红外甚至可见光波段实现完美(100%)吸收.本文从超材料吸收器的可调谐特性出发,围绕红外波段超材料吸收器结构的设计与性能的研究,主要的内容如下: 1.从微扰理论出发,阐述了超材料吸收器产生红移与蓝移现象的原因.为了得到石墨烯超材料吸收器蓝移效率的影响因素,设计了圆盘、条形金属以及开口谐振环(SRR)三种结构的超材料吸收器,数值仿真结果显示SRR结构能在相同条件下得到最大蓝移效率,计算了Δλ以及表面电场的强度的值,结果与理论相一致. 2.从两个模式的耦合理论出发,得出了可以产生宽带吸收的耦合长度,并结合耦合长度的值设计了一种四谐振模式耦合的宽带吸收器结构.仿真结果显示耦合后的四个峰的吸收率分别为95.2%、99.7%、98.1%、94.5%,在10μm的中心频率处得到了一个半高全宽为2.84μm的宽带吸收谱,同时由于二氧化钒薄膜的相变原理,实现了该结构吸收率由85%到20%的调控. 3.提出了一种可以双向调谐的中红外超材料吸收器结构,该结构基于石墨烯和二氧化钒薄膜,通过合理地金属图形设计,实现了吸收的偏振无关性以及宽带吸收特性.仿真结果显示,石墨烯的电调谐可以实现吸收峰的蓝移,升高工作温度可以实现吸收峰的红移,结合两种调谐方式,在9.5到11.7μm之间实现了超过95%的吸收.

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摘 要

Abstract

1绪论

1.1 超材料的概念以及特征

1.2 电磁吸波材料简介

1.3 超材料吸收器介绍

1.5 本文的主要工作及安排

2 电磁仿真及超材料的理论基础

2.1 数值仿真的意义

2.2 常用的电磁仿真的方法

2.3 Yee网格

2.4 FDTD的稳定条件

2.5 超材料吸收器的原理

2.6 本章小结

3 超材料吸收器的红移与蓝移

3.1 引言

3.2 可调谐超材料的理论基础

3.3 电容调谐与调谐效率的增强

3.4基于石墨烯的电感调谐

3.4.1 石墨烯简介

3.4.2 石墨烯电感调谐的理论基础

3.4.3 器件设计及结果分析

3.5 本章小结

4 可开关的宽带红外超材料吸收器

4.1 引言

4.2 二氧化钒薄膜介绍

4.3 二氧化钒的结构及其相变原理

4.4 谐振的耦合理论

4.5 宽带吸收的设计

4.6 三谐振峰耦合的宽带吸收

4.7 四谐振峰耦合的宽带吸收

4.8 本章小结

5 一种偏振无关的宽带可调谐超材料吸收器

5.1 引言

5.2 二氧化钒等效参数的提取

5.3 器件的设计以及结果分析

5.4 本章小结

附录1 攻读学位期间发表的论文