【摘 要】
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超表面是一种由特定亚波长结构单元沿表面密集排布所构建的功能性面形控光结构,可对入射光波其相位、振幅、偏振和能流等施加调控操作。迄今为止所发展的器件化超表面呈现厚度薄、光场操控能力强以及功能多样等特点,在工业检测、光波调控和成像探测等领域呈现广泛应用前景。当超表面被光波照射时,可在介质界面如典型的金属-电介质界面上激励表面波,并动态改变表面电荷分布形态和密度,进而对入射光波执行调控变换操控。本文通过
【基金项目】
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国家十三五重点预研项目; 国家基础加强计划重点研究项目; 上海航天科技创新基金（2015081）; 中国航天科技创新基金（CASC2015）
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超表面是一种由特定亚波长结构单元沿表面密集排布所构建的功能性面形控光结构,可对入射光波其相位、振幅、偏振和能流等施加调控操作。迄今为止所发展的器件化超表面呈现厚度薄、光场操控能力强以及功能多样等特点,在工业检测、光波调控和成像探测等领域呈现广泛应用前景。当超表面被光波照射时,可在介质界面如典型的金属-电介质界面上激励表面波,并动态改变表面电荷分布形态和密度,进而对入射光波执行调控变换操控。本文通过构建纳尖超表面,基于表面波的光照激励与定向约束调控,调节光反射和光透射行为。为提高纳尖超表面控光能力,进一步研发了纳尖纳柱耦合体超表面,基于多等离激元近场耦合增强效应提高控光能力。为满足动态调控需求,发展了肖特基势垒直立纳尖超表面。针对强光激励与操控,提出了光波的超表面低能磁控方法。基于微纳工艺完整开展了纳尖超表面其建模、仿真、制作、测试和评估研究,为纳尖超表面光波调控提供理论基础。论文主要工作如下:首先建立了纳尖电荷聚集模型和表面波汇聚模型。讨论分析了平面纳尖端其电荷分布特性和表面波在尖型结构上的传播行为,量化展现了纳尖结构其尖端电子高容量容纳能力。利用时域有限差分法仿真分析了典型纳尖的近场光场分布特征,采用扫描近场光学显微测量法开展了近场光信号检测分析。研究工作表明了纳尖超表面在实现近场光汇聚增强与超衍射限近场光聚焦方面的有效性。然后开展了超表面结构参数对光透射和近场光聚焦特性的调控机理研究。设计了纳尖纳柱耦合体超表面,利用偶极子模型,分析了耦合结构上的表面电荷分布特性,以及偶极辐射所引起的透射增强效应。通过调整结构参数,可有效调节耦合体超表面（金属-电介质界面）的电荷分布,实现透射光谱峰值波长和峰高的有效调控。发展了一种基于肖特基势垒的直立纳尖超表面光调制薄膜架构。在金膜/硅直立纳尖界面以及铝箔/硅衬底界面上,可有效形成双级联肖特基势垒。通过电调肖特基势垒高度,可关联调控纳尖表面的电荷分布密度,实现超表面红外光透射率的有效调制。目前在0～4.4 V外加电压控制下,已实现红外透过率在21%～48%范围内的有效调控;超表面的红外辐射特性也可以通过外加电压信号进行有效调制。最后开展了基于磁纳尖超表面的光波调控方法研究。磁纳尖超表面由硅基底和结构化磁膜组成,利用磁纳尖的控磁作用执行控光操控。通过磁平面纳尖超表面,可将入射光波高度约束在阵列化磁纳尖中,实现近场光增强与光聚焦,并显著降低红外反射率。所发展的磁纳尖超表面在3～15μm这一宽广波长范围内,其红外反射率低至约20%,实现了对红外光波的高效吸收。通过调整磁纳尖超表面的结构形态和参数,发现近场光波呈现显著的磁纳尖光限域效应,并对红外反射起到明显的调节作用。
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