收藏本站
《北京邮电大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

表面等离子体超材料的物理特性及其应用研究

吴东  
【摘要】:表面等离子体超材料是一种由金属和电介质周期性单元构建的新型人工电磁结构材料。它表现出自然界中材料所不具有的超常物理性质,打破了传统材料设计思想的局限性,大大提高了材料综合性能。从2 1世纪初首个微波频段的电磁超构材料成功实现以来,电磁超构材料现已发展成为了一个涉及物理学、生物学、光信息学、材料学、能源等多个学科的交叉前沿学科,并且近年来超构材料业已成为国内外学术界和产业界的研究热点并受到持续广泛的关注。本论文主要采用有限元法(Finite Element Method,FEM)和时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD),从研究超构材料的负折射、电磁感应透明以及宽带电磁波吸收等新物理现象着手,在深入剖析相关超构材料物理机制的基础上,对其在太阳能热利用、无源辐射制冷、电磁隐身以及折射率传感等方面的应用进行了较为系统的研究。主要研究工作及创新成果如下:(1)利用有效介质理论对MIM三明治渔网状超构材料结构进行了深入研究,计算了有效折射率、有效介电常数与有效磁导率与波长的关系。结果表明该结构在中红外波段具有较好的负折射率特性。研究了超构材料在共振频率点的表面电流和磁场分布和其负折射率特性。在此基础上设计出了具有双频带双负(同时存在负的等效介电常数和负的等效磁导率)特性的负折射率超构材料,并对介质层厚度、孔洞宽度以及孔洞数量这三项关键参数进行了优化。(2)设计并研究了两种用于高品质因数折射率传感的红外窄带吸收超构材料结构。第一种是基于金属/介电/金属/介电/金属(MDMDM)周期性超构材料结构,其具有2400nm/RIU的灵敏度和高达4800的品质因数。第二种是基于平面内近场耦合和非平面近场耦合之间杂化效应的新型可调谐双频段窄带吸收超构表面,传感品质因数可达214.29。除了优异的传感性能,这个结构可望实现基于超构表面的TM入射光的偏振开关。该超构表面可以实现增强因子(|ElM|/|E0|)高于100的局域近场增强。上述超构材料的研究为纳米折射率传感器的应用奠定了重要的理论基础。(3)提出并模拟了一种基于金/PVA/金/GaAs结构的窄带吸收超构材料,并首次提出了基于反射谱的工作波长动态可调的电磁感应透明效应。传统光开关仅能在固定工作波长实现开关效应。在本工作中的超构材料结构不但可以通过光照调节衬底的折射率实现电磁感应透明窗口的开、关状态,而且可以精确调控自感应透明的中心工作波长,从而实现工作波长可调的高速光控光开关器件。研究表明,该EIT效应是由两种分别分布在PVA/金属界面和GaAs/金属界面的等离子体模式耦合产生的,PVA/金属界面等离子体模式的工作波长可以由控制改变PVA折射率进行调节,而GaAs/金属界面等离子体模式的工作波长可以通过控制改变GaAs的折射率进行调节。因此,这项工作在光存储、光控制、慢光以及光开关等方面具有潜在应用价值。(4)在宽光谱吸收材料设计方面,首次将金属铁引入到宽带电磁波吸收超构材料的设计中,提出了利用铁和介电材料构成的多层纳米超构材料结构来实现太阳能宽带吸收。通过仿真研究该结构的电磁波吸收谱特性,结果表明,相对于常用贵金属金,铁/介电多层结构可以实现与空气更好的阻抗匹配的效果,可实现从可见光到近红外波段平均吸收效率90%以上的宽带高吸收性能,同时克服了传统宽带吸收超构材料采用贵金属成本过高的问题;提出了一个将钨球阵列放置在W/Si02的双曲超构材料上的周期性纳米结构,实现了近理想的太阳辐射选择性吸收特性。特别地,在435-1520 nm的波长范围内,该结构实现了整体高于99%的吸收性能。同时对于波长大于1800nm的电磁波,该结构展现了很好的反射性能,从而减少了高温工作条件下黑体辐射的热损失,大大提高了净光热转换效率。这项工作为实现廉价宽带电磁波吸收材料提供了指导意义,在热光伏、海水淡化和污水处理等方面具有潜在的应用价值。(5)设计并模拟研究了基于Si02/Al203层叠结构的中远红外吸收超构材料结构,得到了近理想的选择性中红外吸收曲线,并结合场分布解释了全介质宽带吸收超构材料的吸收原理。研究表明,不同于基于吸收峰叠加效应的传统金属/介质多层超构材料,全介质超构材料的高吸收是由于介质本身的损耗以及折射率渐变的蛾眼效应产生的。该材料的独特吸收谱特性在无源辐射制冷方面具有重要的潜在应用价值。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB34;O441

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 隽若瑜;;光学耦合腔的类电磁感应透明情况研究[J];电子世界;2017年02期
2 黄奕;梁兰菊;金飚兵;;双层超导超构材料模拟电磁感应透明现象[J];低温物理学报;2013年06期
3 胡小会;侯邦品;;五能级原子系统中的多重电磁感应透明[J];原子与分子物理学报;2008年02期
4 龚尚庆,徐至展;电磁感应透明的非线性理论[J];中国激光;1996年04期
5 张蔚曦;张愉;金慧;;非对称半导体双量子阱中的双电磁感应透明现象[J];铜仁学院学报;2016年04期
6 杨希华,孙真荣,丁良恩,王祖赓;若干参数对瞬态电磁感应透明的影响[J];量子光学学报;2001年03期
7 张衍亮,张循利,孙真荣,丁良恩,王祖赓;Y型四能级中的双电磁感应透明和超窄吸收[J];光学学报;2004年04期
8 胡正峰,杜春光,李代军,李师群;超冷玻色气体中电磁感应透明和慢光现象中的原子相互作用效应[J];量子光学学报;2002年S1期
9 龚尚庆,徐至展,张文琦,张正泉;相干驱动场的线宽对电磁感应透明的影响[J];光学学报;1996年03期
10 杨希华;不同能量抽运场作用下瞬态电磁感应透明特性研究[J];中国激光;2004年07期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杜春光;荆庆丽;;通过电磁感应透明实现量子表面等离子体共振[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年
2 杜春光;李师群;;电磁感应透明系统的光学非线性及其控制[A];第十一届基础光学与光物理讨论会论文摘要集[C];2004年
3 李志向;张国权;;电磁感应透明对掺镨硅酸钇晶体的双折射调制[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年
4 陈群峰;蒋蔚;张永生;郭光灿;;光泵辅助的电磁感应透明[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
5 刘一谋;严冬;田雪冬;崔淬砺;吴金辉;;超冷里德堡原子电磁感应透明:超越弱场近似的超级原子模型[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年
6 李路明;彭翔;刘成;郭宏;陈徐宗;;铯蒸汽中的光存储现象的研究[A];第十一届全国量子光学学术会议论文摘要集[C];2004年
7 牛金艳;傅盘铭;吴令安;;基于电磁感应透明的六波混频[A];第十三届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];2008年
8 胡正峰;杜春光;李代军;李师群;;超冷玻色气体中电磁感应透明和慢光现象中的原子相互作用效应[A];第十届全国量子光学学术报告会论文论文集[C];2002年
9 杜春光;李师群;;表面等离子体激元的相干控制[A];第十四届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2010年
10 芦小刚;缪兴绪;白金海;裴丽娅;王梦;高艳磊;吴令安;傅盘铭;王如泉;左战春;;电磁感应透明和Autler-Townes分裂的时域区分基准[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吴东;表面等离子体超材料的物理特性及其应用研究[D];北京邮电大学;2018年
2 徐忠孝;基于电磁感应透明效应的量子记忆实验研究[D];山西大学;2015年
3 焦月春;外场调控的里德堡原子电磁感应透明及量子关联特性[D];山西大学;2017年
4 朱磊;电磁感应透明超介质研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
5 郑军;电磁感应介质的量子干涉效应研究[D];南昌大学;2009年
6 姜坤;金属表面等离激元超构材料中共振耦合与相干效应的研究[D];南京大学;2017年
7 姚文杰;纳米异质结构的光学特性研究及应用[D];北京邮电大学;2011年
8 郁春潮;基于量子点的超快极化全光开关及慢光特性研究[D];华中科技大学;2013年
9 翟召辉;掺镨硅酸钇晶体中基于电磁感应透明的光脉冲存储与处理[D];南开大学;2013年
10 欧保全;原子相干及其在量子信息中的应用研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张晓芸;基于衰变缀饰态方法的多能级电磁感应透明及Autler-Townes分裂的研究[D];湖北师范大学;2017年
2 秦岭;超构材料中电磁感应透明效应的研究[D];南京大学;2012年
3 王文益;基于电磁感应透明的连续波四波混频现象的研究[D];华中科技大学;2005年
4 曾宽宏;半导体量子点电磁感应透明介质中的空间光孤子性质[D];湘潭大学;2013年
5 曾锐玺;基于电磁感应透明的量子点分子薄膜波传输特性[D];浙江大学;2017年
6 杨庆禹;固体中双慢光存储及频率转换研究[D];吉林大学;2014年
7 钟柯松;基于二维手性超结构的圆偏振光特性与操控研究[D];浙江工业大学;2017年
8 白金海;热原子电磁感应透明效应的实验研究[D];河北科技大学;2014年
9 曹吉瑞;光控开关以及光学相移实验研究[D];山西大学;2013年
10 贾新娟;电磁感应透明介质中的慢光操控[D];山西大学;2005年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026