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基于表面等离激元金属-介质-金属的超材料吸收器的性质研究

杜国振  
【摘要】:表面等离激元(Surface Plasmon,SPs)是金属-介质界面处自由电子的集体振荡与传播电磁波的耦合模式,SPs能够打破传统光学中衍射极限的限制,具有很强的局域电磁场增强效应。由于SPs独特的电磁特性,在能源、生物医学、信息等领域展现出了极大的应用前景。而基于表面等离激元的金属-介质-金属结构的超材料可以将光场高度局域在纳米尺度的中间介质层的微腔内,并在特定的频段实现宽波段和窄带的完美吸收增强特性,且超材料器件因集成度高、体积小、成本低等优点,在太阳能电池、生物传感等领域都得到了广泛的应用。本论文介绍了表面等离激元的机理,以及基于表面等离激元设计的金属-介质-金属超材料的吸收器,在紫外-可见-近红外波段具有良好的吸收效应,通过研究吸收器的结构设计、光学特性及其物理机理,进一步探索其在太阳能电池、传感中的应用,论文具体包括以下几个方面:1、介绍了表面等离激元的概念、色散关系、以及激发方式。并对两种常用的计算电磁波的数值仿真方法有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)进行了相关的介绍。本文超材料吸收器的设计主要是运用时域有限差分法对结构进行了仿真模拟。2、设计了一种基于Au圆环和三棱柱Cr所组成的复合金属-介质-金属结构的三波段超材料吸收器,并采用时域有限差分法对吸收器进行数值仿真。该结构在紫外-可见光波段具有吸收率超过92%的宽带吸收,在近红外波长为854 nm处获得吸收率达到98.5%的窄带吸收。通过计算结构电磁场的分布来分析吸收器的物理机理。并通过改变其结构参数,调节吸收光谱,从而获得增强的光学吸收性能。在太阳能光伏、传感器一体的集成设备上具有广泛的应用前景。3、在基于上述研究和数值仿真的基础上,我们设计了另一种SiO_2-Ti-SiO_2-TiN四层裂口环谐振器的超宽带太阳能超材料吸收器结构。在正入射的条件下,优化结构参数,可以实现光波从400-1582 nm范围内带宽为1182 nm的近完美吸收,吸收率均达到90%以上,平均吸收率达到97.8%。此外,该吸收器对偏振光极化方向不敏感,入射角不敏感,结构简单,具有很多的突出优势,在太阳能吸收器领域具有很大的应用价值。


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