图案化柔性超材料的光学手性研究

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超材料的主要组成部分是人工设计的超原子,其形状与尺寸决定了超材料的固有特性。超材料的结构尺寸远小于工作波段的波长,能较好地实现光的调控。超材料被广泛应用于很多领域,包括负折射、吸波器件以及光学手性等。但是,大部分超材料使用的都是刚性基底(例如硅、二氧化硅等),它们的调控方式和范围是有限的,所以基于柔性基底的图案化柔性超材料吸引了更多研究者的注意。图案化柔性超材料所使用的柔性基底和贵金属均具有良好的力学性质,能通过拉伸、弯折对光实现调控。最常使用的柔性基底是聚二甲硅氧烷(Polydimethysiloxane,PDMS),其表面能低、兼容性良好且柔软可拉伸。值得一提的是,拉伸这种调控方式由于简单易操作深受研究人员的偏爱。通过拉伸可以实现对图案化柔性超材料光学响应的动态调控。本论文利用图案化柔性超材料的优势,使用有限元数值分析方法开展了一系列关于光学手性的研究。主要研究内容如下:第一、本文设计了一种由双层L形和T形的金图案和PDMS基底组成的图案化柔性超材料(patterned flexible metamaterial with bilayer L-shaped and T-shaped,PFM-BLT)。由于等离子体杂化模式的激发,PFM-BLT在中红外波段产生圆二色性(Circular Dichroism,CD)现象,且最大值为53.6%。CD现象是由成键模式(bonding mode)和反键模式(antibonding mode)这两种模式的激发所引起的。通过拉伸PFM-BLT实现了对CD现象的调控,并讨论和分析了其工作波长的动态可调特性。第二、本文设计了一种由单层L形和T形的金图案和PDMS基底组成的图案化柔性超材料(patterned flexible metamaterial with L-shaped and T-shaped,PFM-LT),在中红外波段实现了圆偏振光的非对称传输(Asymmetric Transmission,AT)现象。由于对映体敏感等离子体的激发,AT现象在19.1μm的波长处达到峰值,为50.02%。通过拉伸PFM-LT,AT现象的共振峰移向较长波长。在未来,PFM-LT在可穿戴传感器领域具有很高的应用价值。第三、本文设计了一种由金纳米狭缝、L形和T形金图案和PDMS基底组成的图案化柔性超材料(patterned flexible metamaterial with nanoslits and L-shaped and T-shaped,PFM-NLT)。PFM-NLT能同时在中红外区域产生CD和AT现象。在23.4μm的共振波长处,CD现象和AT现象分别达到峰值与谷值,分别为20.4%和-20.4%,这归结于由成键模式(bonding mode)和反键模式(antibonding mode)的激发。利用传输矩阵法从理论上分析了CD和AT现象同时出现的原因。通过拉伸PFM-NLT,CD和AT现象的共振峰均出现红移,这是由于结构两端积累的正电荷和负电荷之间库仑力的减小所致。PFM-NLT可以应用于可穿戴光电子器件领域,如折射率传感器。
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