微纳结构超表面增强吸收研究

论文摘要

鉴于微纳结构增强吸收可以大大降低传统能源的过度消耗以及广泛的应用,其在人们的生活中起着日益重要的作用并且被越来越多的人关注。本论文主要关注微纳超表面结构的增强吸收在两个方面的应用,一方面是宽光谱偏振无关吸收体,采用有效介质理论以及时域有限差分法,讨论此结构在可见光范围内的吸收效率,偏振不相关性和入射角度,并从电磁场分布出发,分析此超表面结构增强吸收的物理机制;另一方面是对二维全吸收光栅传感器的研究,采用阻抗匹配法和时域有限差分法,讨论结构的吸收特性,分析结构在环境介质折射率变化时的FOM*值。本文的具体工作如下:（1）提出一种宽光谱偏振无关超表面结构。此结构在整个可见光区域内,正入射条件下,TM和TE偏振的平均吸收效率都高于98.91%,偏振不相关,45°入射角度内吸收效率仍然高于95%。此宽光谱偏振无关吸收体优良的吸收特性在TM偏振下归因于存在的布儒斯特角和结构具有的梯度折射率,在TE偏振下归因于SiO2减反射层和结构具有的梯度折射率。（2）设计一种偏振无关的二维全吸收光栅超表面结构,对结构中各参数的影响以及传感特性进行了分析。研究结果表明,正入射情况下,在波长818nm处,吸收效率在99%以上;调整光栅结构参数,在保证吸收效率的情况下,吸收峰值波长可线性变化;结构的吸收特性对20°以内的入射角度不敏感;结构的吸收峰值波长对折射率变化十分敏感,敏感度为753nm/RIU,品质因子FOM值为19.7,FOM*值超过300,传感能力强。本文在微纳结构超表面增强吸收领域做出了一定的贡献。设计的宽光谱偏振无关吸收体不仅在整个可见光范围内达到了理想的吸收效率,对入射角度不敏感,尤为突出的是,实现了偏振无关特性,解决了目前二维吸收体存在的难实现宽谱偏振无关的问题;提出的二维全吸收光栅传感器的敏感程度得到了提高,在折射率（Refractive Index,RI）传感器上可以有很好的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及研究的目的和意义
•   1.2 微纳结构增强吸收类型
•     1.2.1 半导体-金属吸收体
•     1.2.2 固有吸收体
•     1.2.3 多层吸收体
•     1.2.4 表面纹理吸收体
•     1.2.5 金属陶瓷吸收体
•     1.2.6 光子晶体吸收体
•   1.3 超表面增强吸收的研究状况
•     1.3.1 TM以及TE偏振超表面结构增强吸收研究现状
•     1.3.2 宽谱以及窄谱超表面结构增强吸收研究现状
•   1.4 本文主要研究的工作内容
• 第2章 微纳结构超表面的研究方法
•   2.1 数值模拟方法
•     2.1.1 有限元分析法
•     2.1.2 离散偶极近似法
•     2.1.3 时域有限差分法
•   2.2 理论研究方法
•     2.2.1 矢量衍射理论
•     2.2.2 有效介质理论
•     2.2.3 耦合模理论
•   2.3 本章小结
• 第3章 宽光谱偏振无关吸收体的特性研究
•   3.1 偏振无关吸收特性
•   3.2 结构参数分析
•     3.2.1 二氧化硅厚度的影响
•     3.2.2 等腰三角硅大小的影响
•     3.2.3 等腰三角硅高度的影响
•     3.2.4 磷化铟层厚度的影响
•     3.2.5 镍层的影响
•   3.3 偏振无关全吸收现象的物理机制
•     3.3.1 TM偏振下电场分布及分析
•     3.3.2 TE偏振下电场分布及分析
•   3.4 入射光角度改变时的吸收特性
•     3.4.1 TM偏振下入射角度的影响
•     3.4.2 TE偏振下入射角度的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 二维全吸收光栅传感器的研究
•   4.1 全吸收特性
•   4.2 电磁场分布情况及吸收增强分析
•     4.2.1 电场及磁场分布情况
•     4.2.2 吸收增强分析
•   4.3 结构参数调制
•   4.4 偏振角度及入射角度影响
•   4.5 传感特性分析
•     4.5.1 TE偏振下入射角度变化时的传感特性
•     4.5.2 TM偏振下入射角度变化时的传感特性
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐天宇

导师: 周见红

关键词: 吸收增强,超表面,偏振无关特性,折射率传感器

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 长春理工大学

分类号: O433

总页数: 67

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