【摘 要】
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近零介电常数（Epsilon-near-zero,ENZ）介质,即一类介电常数实部在特定频率下为0的材料,因具有非凡的光学特性、相对较高的调谐灵活性和高集成兼容性,成为了光子学研究中的热点。ENZ材料在ENZ频率处展现出显著的电场增强特性和超快响应,同时也因受限于材料本身的固有属性,具有入射角度限制和阻抗不匹配等缺陷。超材料作为一种人工材料,其光学属性依赖于特定结构设计,可以被设计实现超常的物理特
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近零介电常数（Epsilon-near-zero,ENZ）介质,即一类介电常数实部在特定频率下为0的材料,因具有非凡的光学特性、相对较高的调谐灵活性和高集成兼容性,成为了光子学研究中的热点。ENZ材料在ENZ频率处展现出显著的电场增强特性和超快响应,同时也因受限于材料本身的固有属性,具有入射角度限制和阻抗不匹配等缺陷。超材料作为一种人工材料,其光学属性依赖于特定结构设计,可以被设计实现超常的物理特性。将ENZ介质置入超材料结构中可以打破裸ENZ材料的局限性,并利用两种共振系统的耦合效应,能够极大地增强光与物质相互作用,为光子学研究提供了新的灵感。本文设计了四种基于ENZ介质的混合超材料结构体系,并采用有限元方法对其优异的光学调控特性进行了研究。本论文的主要内容如下:1.设计了一种纳米天线与ENZ薄膜复合的超材料结构,基于纳米天线支持的等离子共振模式与ENZ薄膜支持的ENZ模式发生的强耦合作用,诱导光谱分裂,实现了类等离激元诱导透明效应。通过模拟电场分析阐明了透明窗口的产生机制,研究了几何参数和ENZ薄膜厚度对类等离激元诱导透明的影响。2.设计了一种Dolmen结构与ENZ薄膜复合的超材料结构,实现了双透明窗口。通过仿真模拟阐明了该双透明窗口的产生机制:其中一个来源于Dolmen结构支持的等离激元诱导透明效应,另一个则由ENZ模式与等离子体共振模式耦合产生的类等离激元诱导透明引起;进一步研究了结构参数和ENZ膜厚对双透明窗口的调谐作用。3.设计了一种将ENZ薄膜置入经典三层金属-绝缘体-金属（MIM）吸收器中的复合超材料结构,实现了可调谐的近完美宽带吸收和双带吸收。通过优化参数使等离子体共振模式与ENZ模式处于强耦合的边缘,实现了宽带吸收;通过增加介质层厚度使等离子体共振模式与ENZ模式处于弱耦合的边缘,实现了双带吸收;进一步研究了ENZ薄膜的载流子浓度和阻尼系数对吸收峰的调谐作用。4.设计了一种将ENZ介质层和SiO2介质层多层堆叠的超材料结构。利用ENZ材料的ENZ共振模式增加光损耗,以及层与层之间的多重局域共振模式进一步增强光吸收,实现了非图案化的宽带完美吸收器。进一步理论模拟表明,该吸收器能够通过调控ITO层填充分数和载流子浓度进行调谐。
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