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新型纳米光子周期性结构设计及其光传输特性研究

郑改革  
【摘要】:光子学是当今物理学领域发展十分迅速的一个领域。随着纳米科技的进步,传统的光子学研究领域已经被拓展到光子晶体、表面等离子激元学等新的研究方向。作为集成光路中最为基本的组成元件,光子晶体和表面等离子激元纳米周期性材料与结构正吸引着越来越多的科研工作者的兴趣,同时致使一个重要学科分支—纳米光子学的产生。正是在这样的背景下,我们开展了一些相关的研究工作。 本学位论文主要研究光子晶体和表面等离子激元周期性材料中的新颖光学特性,基于此设计出新型纳米光子器件,并探讨其在纳米光子集成和提高薄膜太阳能电池效率等方面的应用。具体研究内容与结果如下: (1)研究了光子晶体的色散特性,着重研究光子晶体的特殊光学现象-自准直、定向发射、同向耦合性质。利用自准直和同向耦合效应,设计了一种耦合长度只有11倍晶格常数的可以任意弯曲的光子晶体分束器。通过对自准直区域入射和出射端面的修饰,即使入射点光源位置在15倍晶格常数距离之外,出射光仍可以形成定向发射,在空气中传播30倍晶格常数距离时,发散角在15度以内。在此基础上,探讨了光子晶体自准直、定向发射和同向耦合性质在集成光学互联中应用的可能性。 (2)利用亚波长金属狭缝结合表面电介质光栅对表面等离子波的控制,提出了分别具有亚波长金属单缝和双缝的两种表面等离子激元聚焦器件的设计方案,时域有限差分数值计算结果显示,两种金属纳米透镜的聚焦光斑半高宽均小于入射光波长,会聚长度只有5到6倍入射光波长。通过改变表面光栅形状与分布、入射小孔的形状可以控制出射光的相位变化,从而调节金属纳米透镜的聚焦长度和聚焦光斑半高宽。 (3)根据亚波长金属复合光栅的衍射、散射、反射特性和表面等离子激元的近场电磁场增强效应,在太阳能电池背部引入复合光栅提出了一种能够显著提高光子捕获能力的光学结构的设计方案。严格耦合波数值分析结果证实不论入射光的偏振状态如何,此结构对长波长光子都表现出了良好的吸收能力。平均光吸收在光栅周期为250nm,宽度为100nm时会出现峰值。相比于相同厚度的平面非晶硅电池,复合背部结构可以把整体平均吸收效率提高20%。 (4)使用纳米压印结合溅射、等离子体刻蚀技术直接在硅衬底上制备了高深宽比的金光栅结构,使用傅立叶变换红外光谱仪测量了光谱响应。实验测量结果表明:p偏振光垂直于光栅矢量方向入射时,吸收谱线会出现吸收峰,吸收峰的位置受光栅宽度和周期的影响,光栅深度则影响吸收峰的最大值。此类光栅在表面等离子激元共振传感器以提高灵敏度,以及利用亚波长光栅调整共振反射波长等方面都有一定的应用。


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