【摘 要】
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超表面（Metasurface）凭借其非凡的电磁场调控能力在电磁学领域引起了广泛的关注,全介质型超表面（All-dielectric Metasurface）因为其欧姆损耗极小、材料成本低廉、制造工艺成熟、谐振模式丰富、器件性能优异等优点,在制造光学器件方面具有巨大潜力,也引起了科学家们的重视。此外,在全介质型超表面中可以产生Fano共振,并且在共振位置可以有效抑制系统的辐射损耗,这种共振效应将导
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超表面（Metasurface）凭借其非凡的电磁场调控能力在电磁学领域引起了广泛的关注,全介质型超表面（All-dielectric Metasurface）因为其欧姆损耗极小、材料成本低廉、制造工艺成熟、谐振模式丰富、器件性能优异等优点,在制造光学器件方面具有巨大潜力,也引起了科学家们的重视。此外,在全介质型超表面中可以产生Fano共振,并且在共振位置可以有效抑制系统的辐射损耗,这种共振效应将导致更大的场增强,可以极大地增强光与物质之间的相互作用。人们可以利用Fano共振的这种特性设计传感器,用来检测周围环境的变化,为气体传感和环境监测提供了一个新的思路。本文的主要研究内容如下:第一,对超表面中的Fano共振进行理论研究,分析了全介质超表面中Fano共振的产生机理,利用时域有限差分差分算法（Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD）与多极子分解理论（Multipole decomposition theory）,研究了棒状结构、环形结构、双环形结构的纯硅介质在光源激励下的电磁特性以及在形成Fano共振的过程中起到的作用。第二,提出了一种全介质的超表面结构,利用电偶极子共振和环偶极子（Toroidal dipole）共振产生两个Fano共振。在涂覆了甲烷气敏薄膜之后,结构中仍然存在两个Fano共振,经过仿真计算,这两个Fano共振的折射率灵敏度和甲烷浓度的灵敏度分别为第一个共振峰dip1为1305.6 nm/RIU,-0.295 nm/%,另一个共振峰dip2为456.6 nm/RIU,-0.61 nm/%。由于两个Fano共振产生的机理不同,具有不同的传感灵敏度,所以提出的结构可以用于空间折射率和甲烷气体浓度的双参量检测。此外,提出的超表面结构简单,成本低廉,易于生产和制造,为双参量检测提供了一种新思路。第三,研究了光源的偏振方向对Fano共振的影响,设计了一种具有对称结构的全介电超表面来实现高灵敏度的双参量传感。当超表面上面涂覆气敏薄膜后,会产生标记为dip1和dip2的两个不同的Fano共振峰,可用于同时测量折射率和气体浓度。经过仿真计算,dip1的折射率灵敏度和气体浓度灵敏度分别为1035 nm/RIU和-0.57 nm/%,而dip2折射率灵敏度和气体浓度灵敏度分别为543.6 nm/RIU和-0.87 nm/%。这种传感器不仅可以用于双参量的测量,而且具有较高的灵敏度,为环境空间的检测提供了一种有效的新方法,更重要的是,由于结构的对称性,这种超表面得到的透射谱对光源是偏振无关的,不受光源偏振角度的影响,提高了传感器对光源的适应性。该论文有图55幅,表3个,参考文献95篇
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