基于表面等離子體的寬波段納米天線與吸收器設(shè)計.pdf

1、表面等離子體是入射波照射至金屬表面時與其表面自由電子相互作用產(chǎn)生的電磁波，這些研究已有100多年的歷史。通過對表面等離激子體模式的研究，逐漸實現(xiàn)了納米維度上光場的増強、傳導與聚焦等功能。近些年來，研究人員利用表面等離子體的近場增強特性制成光學吸收器件，并對其吸收及光場特性進行深入研究?；诒砻娴入x子的光學吸收器在生物傳感、熱成像、太陽能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景與較強的實際意義。目前，一些光學吸收器件也被提出，但這些結(jié)構(gòu)普遍存在諧振點

2、少、吸收波段不寬、吸收效率不高等缺點。因此，針對這一問題，本文深入探索表面等離子體近場增強特性機理，設(shè)計了寬波段、高吸收率的納米天線與吸收器，利用FDTD方法研究和分析它們的吸收特性。論文主要工作如下：
　　首先，基于表面等離子體激發(fā)原理，設(shè)計了縫隙八木納米天線并研究其天線陣列的吸收特性。從縫隙八木天線單元輻射特性入手，研究天線表面等離子體產(chǎn)生條件與影響因素，結(jié)合天線遠場與近場特性用于指導天線陣列的設(shè)計，并對其吸收特性進行分析。通

3、過對天線單元遠場輻射特性的研究，隨著縫隙間距得增加，天線方向圖出現(xiàn)多個副瓣并產(chǎn)生新的輻射模式。進一步分析發(fā)現(xiàn)，高階模式的局域表面等離子體的產(chǎn)生激發(fā)了新的輻射模式。通過對天線陣列的吸收特性研究表明，天線陣列在400-1500nm波段，具有較好的吸收特性，其平均吸收率可以達到60%?？p隙八木納米天線陣列吸收率受縫隙間距的影響，隨著縫隙間距的增加，其吸收率總體呈現(xiàn)上升趨勢。此外，調(diào)整天線單元的厚度可以調(diào)整天線陣列的吸收波段。
　　其次，

4、為了提高吸收率與吸收帶寬。本文基于等效電路的建模方法，結(jié)合多層波導與諧振腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計了超材料太陽能吸收器與超材料納米環(huán)柱吸收器。探究幾何參數(shù)對吸收器吸收性能的影響，分析了寬波段下所設(shè)計的兩種吸收器的吸收率所受入射光的偏振角度及入射角度的影響。分析結(jié)果可以看出，兩種吸收器都具有寬波段、受偏振角度與入射角度影響小、吸收率高的特點。此外，本文還通過電場分布與磁場分布探索了兩種吸收器的吸收機理。結(jié)果表明，超材料太陽能吸收器由于慢波效應(yīng)與局域表面

5、等離子體共振的共同作用使得吸收器400-1400nm波段下的平均吸收率達到94%。機理分析表明，超材料納米環(huán)柱吸收器除了有慢波效應(yīng)與局域表面等離子體共振的作用外，還有法布里伯羅共振，這些特性相互作用使吸收器在300-2000nm波段內(nèi)的平均吸收率可以達到95%。
　　本文設(shè)計的納米天線與吸收器在可見光與近紅外光波段內(nèi)具有較高的吸收率與良好的吸收特性，此研究結(jié)果對實現(xiàn)寬波段、高吸收的太陽能納米板具有一定的參考價值，為解決清潔能源高效