基于周期性薄膜结构的负折射率材料

摘要

通常光束从一种介质进入另一种介质时,它的入射光与反射光在法线两侧,但是在负折射率材料中,它们则是在法线的同一侧。这种负折射率材料具有普通介质所不具有的奇异的物理性质,在多个领域中可以实现新的应用。在实现负折射效应的多个方法中,周期薄膜金属结构因为其损耗小、耗材少、易于集成和制备等优点被广泛应用在电磁领域。
　　 本文通过实验和仿真的方法来研究周期结构多层金属薄膜超材料负折射效应,发现不仅周期孔阵中小孔的几何尺寸对负折射效应产生的峰位和带宽具有调制作用,而且孔阵的晶格结构对负折射效应具有极大的影响。通过研究孔阵对激发表面等离极化激元的影响,从而进一步探讨其对透射率增强效应和负折射效应产生影响的机制。构建与周期孔阵金属薄膜结构互补的长条形金属阵列结构,来研究Babinet原理在中红外波段的应用,并对周期长条形金属阵列的负折射效应进行了研究。对今后负折射率材料的设计起到了一定的指导作用。
　　 论文的主要内容:
　　 一、通过实验的方法制造了具有长条形周期孔阵的金属-介质-金属光学薄膜,发现其在中红外波段处具有透射率增强效应。然后对样品进行了数值仿真,得到的仿真结果和实验结果基本吻合。通过提取结构的电磁特性参数,发现部分样品在特定波段发生了负折射效应。并且改变长条形孔的长度可以调制负折射的带宽、磁响应和电响应。由研究可知,负折射带宽越宽,磁响应越强烈。并且当长条形孔的长度增加时,可以得到更低的损耗。
　　 二、在实验和仿真的过程中,发现并不是所有具有周期孔阵的金属薄膜都具有负折射效应,孔阵的晶格结构影响了负折射效应的产生。通过理论计算得到内外表面等离极化激元共振以及局域表面等离激元共振的激发波段,发现透射率增强效应和负折射效应并不是完全独立的两个光学现象,它们与表面等离极化激元的激发和传播有关。
　　 三、周期孔阵金属薄膜在中红外波段具有良好的电磁响应,而目前Babinet原理主要还是应用在微波波段。通过构造与周期孔阵金属薄膜结构互补的周期长条形金属阵列,发现他们在中红外波段处电响应与磁响应基本符合Babinet原理。并且对周期长条形金属阵列进行模拟仿真。