基于光学超表面的导模共振和结构色特性研究

【摘要】：超表面通过亚波长单元阵列,实现电磁波相位、振幅、偏振等特性的有效操控,结构色的研究一直是超表面领域重要的研究方向。相比传统的化学染料普遍存在着环境污染和易于褪色的情况,结构色提供了一种对环境友好的可持续色彩实现方案。由于导模共振具有的高效率和窄带宽的特性,利用导模共振理论设计超表面的亚波长单元结构,实现了常用色域的高饱和度结构色。论文的主要工作如下:(1)利用导模共振相关理论建立等效波导模型,通过对等效波导模型的本征方程求解计算共振波长。同时利用时域有限差分法计算不同参数下的光谱,并分析了结构参数对于共振谱线的影响。(2)设计的三层结构的超表面,以Si O_2为衬底材料,光栅层和均匀波导层都采用Si_3N_4,符合导模共振效应产生的基本条件。给定结构参数后利用软件模拟仿真在可见光波段的光谱图。(3)优化参数使得在只改变光栅周期情况下,获得不同谐振波长的反射峰。在整个可见光区域的反射峰效率都超过90%,半高宽小于10nm,实现高效率和高饱和度的结构色。研究入射光的偏振态和入射角度对于实现的结构色的影响,探索更多的应用潜力。由于结构色具有环保、稳定性和高空间分辨率等优良特性,随着微纳加工工艺的不断提高,被广泛看好用于大规模代替传统染料。同时由于微纳结构的光学特性,结构色在可见光通信、光学防伪、数据存储、光学传感等领域也具有巨大的应用潜力。