亚波长微纳光子器件红外吸收特性研究

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微纳光子器件与技术作为一门新兴学科,在许多领域具有重大潜在应用,是目前国际光学研究的前沿和热点之一。随着光子器件的特征尺寸不断缩小,当其降至微纳米(亚波长)量级时,将会出现很多宏观条件下没有的光学特性。利用微纳尺寸结构这种特殊的光学特性,可以设计出许多新型功能型光子器件及系统装置。本文提出并研究了一种基于表面等离子共振腔结构的红外超宽带近完美吸收光子器件。利用时域有限差分算法(FDTD),对光子器件在红外波段的吸收特性进行了详细的研究。文章的主要工作和创新点如下:论文提出了一种基于表面等离子激元的周期性啁啾亚波长结构红外超大带宽近完美吸收光子器件。它由一维或二维空间周期性排列的亚波长结构单元组成。每个亚波长结构单元由均匀的金属层和其上的多个宽度啁啾的金属/电解质双层光栅结构构成的金属-绝缘体-金属谐振腔组成。每个谐振腔通过表面等离子激元俘获共振波长附近的光子。由于采用线性啁啾的谐振腔宽度,因而谐振腔的共振波长可覆盖较大的波长范围,通过亚波长结构设计和相位匹配理论计算和优化,实现了大波长范围内的近完美吸收。在工作波长~9μm处,吸收带宽3μm范围内的平均吸收率达到92%。在上述研究的基础上,进一步提出了一种便于制作的亚波长红外吸收光子器件结构。这种结构可通过纳米压印技术对金属-绝缘体-金属多层膜结构进行模压从而实现大规模制作。研究表明,采用合理的周期性亚波长啁啾结构,同时保证一定精度的模压深度,也可实现大带宽范围内的近完美吸收。这给亚波长超带宽完美吸收器件的批量生产制作提供了一种实际可行的方法。
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