金属-电介质微纳结构谐振增强光学特性研究

摘要

近年来，微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其在光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用得到国内外学者的广泛关注和深入研究。通常，金属和电介质是在微纳光子器件的设计和制备过程中频繁涉及的两类材料。常规电介质材料具有光学损耗低、光学透明波段范围宽等优点，但其对光场的约束能力受到自身有限折射率的限制。金属材料能够通过激发表面等离激元将入射光场的能量转换为自由电子的集群振荡并在其表面传输，甚至实现对光场小于十分之一波长的约束。但其极高的光学损耗引起的信号衰减和热量产生，又使得金属材料在某些应用中饱受诟病。如何利用这两类材料实现微纳结构光学特性的有效调控，即对光的吸收和透射能力进行准确操纵，已成为各类功能性微纳光子器件共同面对的关键问题。某些应用甚至还要求器件在保持优越的光学透过率的同时拥有良好的导电特性。本文着眼于上述考虑，提出基于电磁谐振增强金属-电介质微纳结构光学特性的研究设想，并在可见和近红外波段获得具有光学高吸收或者高透过性能的微纳光子器件。全文围绕以下两方面的研究工作展开论述:
　　在光学吸收器研究方面，我们从电磁谐振增强金属-电介质微纳结构的光学吸收特性入手，设计了两种吸收器:极窄带吸收器和空间双向吸收器。前者通过金属-电介质层状交替堆叠构造法布里-珀罗谐振腔，结合金属本征损耗，使得仅在特定波长范围内的入射光会局限在结构内部并转化为热损耗，而其他波段的入射光则发生全反射。理论计算和实验测量结果表明，工作波长能够在可见和近红外波段灵活调节，最小吸收带宽可降低至2nm。后者则基于表面等离激元谐振，由“金属-绝缘体-金属”经典架构吸收器衍生而来。我们采用上下表面分布不同周期的金属阵列，中间填充电介质材料，实现了近红外波段空间双向高效吸收，且吸收效果对入射光偏振不敏感。
　　在谐振增强金属透射研究方面，我们依旧基于上述“金属-绝缘体-金属”结构，在可见和近红外波段实现了一种对偏振不敏感且具有广角工作特性的减反增透覆层。与以往的异常光传输现象不同，该设计针对的是无缝平整金属薄膜，利用表面等离激元谐振，在特定波长范围内实现显著的减反增透效果。仿真结果显示该结构设计能够获得70％以上的1030nm入射光能量透过20 nm厚的连续银膜，而相同厚度的单层银膜在同样波长条件下的透过率只有15％左右。考虑到微纳加工的实现难度和样品的保存测试等因素，我们根据以上设计原理，对厚度为20nm的连续金膜进行了重新设计和优化。测试结果表明，减反增透覆层可以使得金膜的透过率在930 nm达到40％，与单层金膜和连续的金属-电介质-金属层状结构相比分别实现了2倍和8倍以上的透过率增强。
　　总体而言，本文提出并实现的电磁谐振增强微纳结构光学吸收或透射特性，能够将金属材料和电介质材料有效结合，设计出满足不同需求的微纳光子器件，在太阳能利用、热辐射、光学滤波、光传感等领域具备潜在的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题目的与意义

1．1．1 课题目的

1．1．2 课题意义

1．2 光学吸收器的研究进展

1．3 透明电极的研究进展

1．4 本论文的研究内容与创新点

2 金属-电介质微纳结构光学特性的研究方法

2．1 金属-电介质微纳结构的数值模拟方法

2．1．1 计算方法和常用软件

2．1．2 COMSOL Multiphysics的使用

2．2 等效介质方法

2．3 传输矩阵方法

2．4 金属-介质微纳结构的制备和测试

2．4．1 真空薄膜蒸镀工艺

2．4．2 微纳结构加工工艺

2．4．3 光学特性测试平台

2．5 本章小结

3 金属-电介质微纳结构的光学吸收特性增强

3．1 基于法布里-珀罗谐振腔的极窄带吸收器

3．1．1 法布里-珀罗谐振腔工作原理

3．1．2 单腔结构的吸收特性

3．1．3 双腔结构的吸收特性

3．1．4 结论

3．2 基于表面等离激元谐振的空间双向吸收器

3．2．1 “金属-绝缘体-金属”吸收器工作机理

3．2．2 空间双向吸收特性

3．2．3 物理机理和等效模型

3．2．4 结论

3．3 本章小结

4 金属-电介质微纳结构的光学透射特性增强

4．1 作用于连续银膜的减反增透覆层

4．1．1 基于表面等离激元谐振的透射增强

4．1．2 基于混合谐振的透射增强

4．1．3 等效参数的提取

4．1．4 结论

4．2 作用于连续金膜的减反增透覆层

4．2．1 仿真设计

4．2．2 实验验证

4．2．3 结论

4．3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果