【摘要】：表面等離激元是在金屬顆粒中自由電子發(fā)生的共振,它具很多新穎的光學(xué)和電磁性質(zhì),例如使局域部分電磁場增強、對光的選擇性吸收和散射,電磁波的亞波長束縛等。表面等離激元包括兩種類型,傳播型表面等離激元和局域型表面等離激元。前者是在金屬薄膜和介質(zhì)的界面上激發(fā)的表面等離激元,它可以沿著薄膜進行遠距離傳播,故稱為傳播表面等離激元。后者是金屬顆粒中由于自由電子的震蕩受到了尺寸的限制,所以稱為局域表面等離激元。近年來,由于加工制備技術(shù)的發(fā)展和模擬分析方法的進展,對表面等離激元的機制的研究也隨之逐漸深入,等離激元光子學(xué)也已經(jīng)發(fā)展成為一門新興的熱點學(xué)科,并且在信息、能源、化學(xué)、生物等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過基于時域有限差分法的商用軟件CST進行仿真,用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行實驗驗證,研究了螺旋單元的等離激元共振特征,螺旋粒子兩體之間的耦合特征,螺旋五聚體的Fano共振特征,以及三波段寬帶帶通濾波器的設(shè)計、仿真、實驗研究和原理分析。本文主要內(nèi)容分為三個部分:(1)研究了螺旋結(jié)構(gòu)單元和螺旋結(jié)構(gòu)二聚體的表面等離激元共振形式和耦合規(guī)律。通過對仿真結(jié)果的分析,并用等離激元雜化理論加以解釋,得出以下主要結(jié)論:螺旋二聚體存在正向耦合和反向耦合兩種模式,反向耦合使輻射損耗降低從而導(dǎo)致共振線寬減小,而同向耦合使輻射損耗增大從而使共振線寬增大;耦合產(chǎn)生的反向耦合模式可以有效地提高傳感質(zhì)量因子。這些結(jié)論可以更好地認識表面等離激元的雜化作用,對復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的耦合提供了分析思路。另外,利用人工表面等離激元的雜化效應(yīng)可以顯著提高傳感器的傳感質(zhì)量因子,這為基于超材料的高靈敏傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。(2)研究了螺旋結(jié)構(gòu)五聚體的耦合共振情況,五聚體的共振模式可以分為兩組,分別是電Fano共振磁Fano共振,兩組共振都起源于中心粒子和周邊四聚體的破壞性耦合。通過仿真和實驗驗證了螺旋五聚體結(jié)構(gòu)上電磁Fano共振的存在。隨著粒子間距增大,粒子間耦合作用減小。磁Fano共振的強度對入射電磁波角度變化很敏感,而電Fano共振不受影響。螺旋五聚體具有高傳感質(zhì)量因子,在高靈敏傳感器等方面有很多潛在的應(yīng)用。(3)基于多個圓環(huán)嵌套的單元結(jié)構(gòu),設(shè)計、加工與測試了一種對偏振無依賴以及大角度入射穩(wěn)定的三波段超材料寬帶帶通濾波器。仿真結(jié)果表明該濾波器存在三個通帶,中心頻率分別為7.22 GHz、10.10 GHz和14.46 GHz,3 dB相對帶寬分別為17.5%,20.2%和17.4%,中心頻率處透過率分別為-0.85 dB,-0.69 dB,-1.73 dB。單元結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性,使得該濾波器對電磁波偏振不敏感,并且在入射角達到40°時,三個波段依然維持較好的穩(wěn)定性。通過監(jiān)測諧振頻點處的表面電流分布情況,分析了三波段濾波的物理機理。這種帶通濾波器具有多波段濾波、偏振無依賴以及大角度入射穩(wěn)定等特性,有望在多頻譜成像技術(shù)、信息通訊等領(lǐng)域發(fā)揮一定的作用。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB303;TN713

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本文編號：2475743