基于表面等离激元和光学Tamm态的红外光谱调控研究

• 作 者: 韩晶
• 出 处: 黑龙江大学
• 发表日期: 2020年01期

红外光在通信、成像、探测、传感、军事等方面有着广泛的应用。通过人为设计亚波长结构,有目的、有选择地调控红外光谱具有重要意义。本文主要利用表面等离激元和光学Tamm态效应以及模式间的耦合原理设计亚波长结构,实现对近红外、中红外光谱的有效调控。主要工作如下:1.在近红外波段,基于金属表面等离激元效应设计了一种金（Au）-介质-金（Au）多层膜矩形孔阵列结构。利用时域有限差分方法研究了该结构的透射性质,分析了透射峰的产生机理。结果表明,该结构在近红外波段的透射谱中存在多个透射峰,透射峰的位置、强度和线宽取决于介质层的折射率、厚度、晶格阵列周期和矩形孔的长宽比。改变结构参数和介质层折射率可以实现对近红外波段透射光谱的调控。2.在中红外波段,基于石墨烯表面等离激元效应设计了一种石墨烯纳米带结构。利用时域有限差分方法研究了该结构的光谱特性和电磁场分布。结果表明,改变一个周期内石墨烯纳米带的数量、纳米带的宽度、带之间距离以及施加于石墨烯的偏置电压可以实现对共振峰的调控。运用法布里-珀罗（F-P）模型解释了共振峰产生的原因。在此基础上设计了基于石墨烯等离激元的中红外多通道可调窄带吸收器。3.在中红外波段,基于光学Tamm态和极性电介质支持声子极化激元的特性设计了一种碳化硅（Si C）-光子晶体异质结-碳化硅（Si C）结构。利用时域有限差分方法数值计算了结构的透射/吸收光谱和电场分布。同时,利用耦合谐振子模型从理论上计算了透射/吸收光谱。结果表明,通过多种模式的激发和耦合该结构实现了中红外波段的多通道高效吸收。调整结构参数、入射光的偏振态和入射角可以控制模式的产生和耦合,实现从一个吸收峰到四个吸收峰的调整。4.基于石墨烯表面等离极化激元和Tamm声子极化激元的耦合,设计了一种复合结构。利用时域有限差分方法和耦合谐振子模型从数值上和理论上研究了该结构的吸收特性。结果表明,通过调整空气层的厚度和石墨烯带的费米能级可以调整模式耦合和吸收强度。选择合理的参数可以实现两种模式的强耦合,产生双频完美吸收。分析了双频吸收结构的传感性能,两个分支的灵敏度分别为S=4570 nm/RIU和S=4690 nm/RIU,品质因数分别为FOM=109 RIU-1和FOM=99 RIU-1。该结构的传感灵敏度很高,在高性能折射率传感方面有巨大应用潜力。