金属环纳米超材料光学特性的研究

摘要

超材料是一类人工复合型结构或材料，它具有天然材料所不具备的超常物理性质。通过严格而复杂的人工设计可以表现出负折射、隐形、电磁诱导透明、完美吸收和单向无反射等物理特性。超材料的发现为电磁理论开辟了一个全新的研究方向，为材料设计领域提供了一种全新的思路。本论文对金属环纳米超材料的光学特性进行研究，主要开展如下工作:
　　1、以超材料理论为基础设计了一个环形的共振器，利用高阶磁等离子共振实现超窄带完美吸收。由于采用了圆环形状结构，系统与偏振无关。研究表明:对于厚度t为60 nm的MgF2在本征共振频率178.76 THz处其吸收率为～56％，带宽为347 nm;在高阶共振频率424.5 THz处其吸收率为～1，带宽仅为13 nm。可见，基于高阶共振模式的吸收率高于本征共振模式，而基于高阶共振模式的带宽窄于本征共振模式。此外，根据共振波长下环境介质折射率变化所引起的相对反射率变化关系计算了基于高阶等离子共振的完美吸收峰的品质因数(FOM*)和灵敏度分别约为3700和190 nm/RIU。
　　2、在金属环纳米超材料系统中异常点(EP)处实现一个可控的单向无反射传播。由于采用了两个圆环共振器，系统与偏振无关。研究表明:当两个银圆环共振器间的距离s为485 nm且入射波沿着+z方向激发时，在波长1441nm处反射率为～0;当减小距离s到395 nm且入射波沿着-z方向激发时，在波长1387 nm处反射率为～0。可见通过调节两个银圆环共振器间的距离s可实现在不同波长下的双向的单向无反射传播。此外，该结构在近EPs点处可作为一个窄带完美吸收器，其吸收率超过96％且吸收峰的Q-factor值为～41。
　　总之，基于金属环纳米超材料的可调性实现了超窄带完美吸收和单向无反射传播，这些光学特性为传感器、探测器和滤波器等领域提供潜在的应用价值。

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摘要

插图目录

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．3 本文主要研究内容和结构安排

第二章 金属环纳米超材料基本理论

2．1 阻抗匹配吸收原理

2．2 磁共振吸收原理

2．3 散射矩阵理论

2．4 本章小结

第三章 基于高阶磁等离子共振的超窄带完美吸收器

3．1 超窄带完美吸收器的结构设计

3．2 光谱与电流密度分布

3．3 折射率传感器

3．4 本章小结

第四章 基于金属环纳米超材料研究单向无反射传播

4．1 单向无反射超材料的结构设计

4．2 反射光谱与电场分布

4．3 异常点物理特性

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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