亞波長(zhǎng)金屬周期結(jié)構(gòu)的負(fù)折射和局域場(chǎng)增加效應(yīng)的研究.pdf

1、對(duì)光與物質(zhì)之間相互作用的理解以及對(duì)光及電磁波的操控,一直是人們夢(mèng)寐追逐的目標(biāo),也是科技領(lǐng)域中至關(guān)重要的課題。隨著工藝技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步,人們可以制造微米,甚至納米級(jí)的具有任意形狀或圖案的金屬周期結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波與這些具有亞波長(zhǎng)尺寸的金屬周期結(jié)構(gòu)發(fā)生作用時(shí),出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和新效應(yīng),例如metamaterials(即電磁超介質(zhì))和表面等離子體?！半姶懦橘|(zhì)”是通過(guò)周期排列某種幾何結(jié)構(gòu)單元獲得的具有自然媒質(zhì)所不具備的新型電磁特性的一種人工材料。電

2、磁波能夠在有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁超介質(zhì)中表現(xiàn)出后向波傳輸、負(fù)折射、倏逝波放大等奇異特性。電磁超介質(zhì)的電磁性能高度依賴單元的幾何結(jié)構(gòu),這為人們獲得具有超常電磁性能的“新媒質(zhì)”提供了一種全新的材料設(shè)計(jì)理念,為人們操縱、控制光及電磁波提供了新的途徑。
　　 電磁超介質(zhì)通常基于金屬的結(jié)構(gòu)單元,采用金屬便于實(shí)現(xiàn)形狀或圖案各異的周期結(jié)構(gòu),但金屬的損耗問(wèn)題是限制金屬電磁超介質(zhì)負(fù)折射性能及其應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制備,且性

3、能(低損耗、寬頻帶、固態(tài)的、均勻各向同性)良好的電磁超介質(zhì)是科研工作者追求的目標(biāo)。本論文設(shè)計(jì)并研究了幾種工作在微波、太赫茲和紅外波段的電磁超介質(zhì),探索可以實(shí)現(xiàn)“負(fù)折射”,且能有效降低損耗的結(jié)構(gòu)和機(jī)制。同時(shí),針對(duì)制約表面增強(qiáng)光譜技術(shù)實(shí)際廣泛應(yīng)用的瓶頸,即傳統(tǒng)襯底結(jié)構(gòu)可控性差導(dǎo)致的表面增強(qiáng)光譜重現(xiàn)性差的問(wèn)題,對(duì)具有可控、穩(wěn)定、高效的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效果的電磁超介質(zhì)結(jié)構(gòu)在表面增強(qiáng)光譜襯底方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索。
　　 本文的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如

4、下:
　　 1.研究了電磁波垂直入射時(shí)雙閉合環(huán)和雙劈裂環(huán)共振器的電磁響應(yīng)及其微觀機(jī)制。發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)外環(huán)電響應(yīng)的共振耦合,雙環(huán)共振器具有低頻的反對(duì)稱模和高頻的對(duì)稱模。利用外電場(chǎng)激發(fā)內(nèi)外環(huán)“斷續(xù)線”型電響應(yīng)和反對(duì)稱模貢獻(xiàn)的負(fù)磁導(dǎo)率,雙環(huán)共振器可以在電磁波垂直激發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。
　　 2.設(shè)計(jì)了一種工作在太赫茲波段的等方型十字孔漁網(wǎng)電磁超介質(zhì)結(jié)構(gòu),研究了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其電磁響應(yīng)以及左手性能的影響,并利用磁響應(yīng)的LC有效電路模型解

5、釋左手頻帶對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴關(guān)系。與現(xiàn)有的矩形孔漁網(wǎng)狀“金屬/電介質(zhì)/金屬”電磁超介質(zhì)相比,該結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)可以不依賴入射電磁波的偏振,并且具有較高品質(zhì)因數(shù)(FOM>4)和透射率(T>80％)。
　　 3.探索分布有孔陣列的漁網(wǎng)電磁超介質(zhì)結(jié)構(gòu)在其左手通帶發(fā)生的超強(qiáng)透射現(xiàn)象的起因,發(fā)現(xiàn)左手通帶緊鄰與波導(dǎo)諧振模式關(guān)聯(lián)的超強(qiáng)透射峰,利用超強(qiáng)透射效應(yīng)可以有效降低電磁超介質(zhì)的損耗,提高品質(zhì)因數(shù)。漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中電介質(zhì)層和金屬層厚度對(duì)磁共振以及左手

6、性能的影響主要源自于波導(dǎo)諧振模式對(duì)孔尺寸以及深度的依賴。
　　 4.提出一種偏振可控的近紅外雙左手通帶平面電磁超介質(zhì),即具有不對(duì)稱十字孔(十字孔的兩臂長(zhǎng)或臂寬不同)陣列的“金屬/電介質(zhì)/金屬”結(jié)構(gòu)。詳細(xì)討論并利用理論模型解釋改變臂長(zhǎng)和臂寬對(duì)雙左手通帶的調(diào)制作用。進(jìn)一步計(jì)算空間局域電場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)與等離子體模式關(guān)聯(lián)的激發(fā)電場(chǎng)可以在兩金屬板中間區(qū)域引起12倍的電場(chǎng)增強(qiáng),當(dāng)探針?lè)肿犹幱谶@些“熱點(diǎn)”位置時(shí)可以獲得～104的拉曼信號(hào)增強(qiáng)。

7、r>　　 5.系統(tǒng)研究了不對(duì)稱雙劈裂環(huán)陣列結(jié)構(gòu)在光波垂直入射下的可調(diào)諧等離子體光學(xué)性能和不同共振模式激發(fā)時(shí)的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)在近紅外和可見(jiàn)光區(qū)域有兩個(gè)強(qiáng)消光峰,分別對(duì)應(yīng)等離子體的一階共振(Ⅰ)和二階共振(Ⅱ)。通過(guò)激發(fā)不同的共振模式,不對(duì)稱雙劈裂環(huán)陣列結(jié)構(gòu)可以在近紅外和可見(jiàn)光波段,在相同空間區(qū)域,即裂口位置獲得顯著增強(qiáng)的電場(chǎng),電磁場(chǎng)熱點(diǎn)位置位于金屬弧的棱邊和棱角附近,最大電場(chǎng)增強(qiáng)接近或超過(guò)一100,分別對(duì)應(yīng)紅外吸收和拉曼增強(qiáng)因子～1