基于表面激元的纳米针尖增强和电磁波吸收调控

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表面激元包括表面等离子体激元和表面声子极化激元,是束缚在金属/电介质界面或者晶体/电介质界面的一种特殊的电磁场模式。由于其可以突破光学衍射极限在亚波长尺度内对电磁波进行控制,因而受到了越来越多的关注。本文通过构造特殊的微纳结构和超表面结构,研究了基于表面激元的亚波长聚焦增强和电磁波的吸收调控性质,主要内容包括:  (1)提出了一种新型的基于阿基米德螺旋狭缝激发的金属纳米针尖表面激元增强结构,实现了3个数量级的场增强和~0.015λ0(λ0为入射波长)的分辨率。这种新型针尖增强结构,避免了在金属针尖侧壁加工、光束直接准确照射以及不适合大面积阵列式针尖应用的难题。  (2)表面激元在红外和太赫兹波段的存在形式为表面声子极化激元(SPhPs)。由于SPhPs研究所需结构尺度较大,往往需要加工大深宽比结构,这不可避免的存在陡直度降低和侧壁条纹等边壁效应。为此,我们提出一种新型的碗状悬空掩模,以碳化硅(SiC)为研究对象,成功的解决了微纳加工干法刻蚀过程中的边壁效应,提高了结构陡直度,得到了侧壁光滑的微纳结构,为以后研究微纳结构的电磁波吸收调控机理奠定了基础。  (3)极性晶体对其剩余射线带内电磁波有近乎完美的反射,根据黄昆方程的描述,这种现象似乎是不可改变的。我们通过理论分析和FDTD数值模拟计算提出了一种极性晶体超表面结构,首次实现了极性晶体由于SPhPs的宽带激发对其整个剩余射线带内电磁波的完美吸收(吸收率大于97%),并在SiC超表面上得到了实验验证。更重要的是,我们把这种设计超表面的方法推广到了其他任何一种极性晶体,提出了一种设计极性晶体超表面的一般方法,并在GaP、InP、GaAs、InAs、ZnSe、CdTe和GaN等极性晶体上得到了验证。这些研究结果将对中红外和太赫兹频段的许多新应用产生重要的影响,例如辐射制冷、宽带红外光辐射、太赫兹检测、隐身和全息显示等。
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