金屬介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)的研究與制備.pdf

1、金屬薄膜是光學(xué)薄膜重要的組成部分，具有反射高、截止寬、偏振小、導(dǎo)電性、成本低(層數(shù)少)以及能激發(fā)表面等離子體激元(SPPs)等特點(diǎn)，因而在寬域反射器、太陽(yáng)能收集器、寬帶消偏振器、傳感器和隔離電磁波等方面都有重要應(yīng)用。本文主要涉及基于金屬薄膜制備技術(shù)的各種新型器件的研究，包括數(shù)值模擬計(jì)算方法和金屬介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)特殊光子效應(yīng)的理論研究以及金屬介質(zhì)薄膜器件的制備和特性測(cè)試。對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域金屬介質(zhì)薄膜全角度透射濾光片，一維金屬介質(zhì)周期薄膜中的負(fù)折射

2、、偏振分束和完全帶隙效應(yīng)以及金屬薄膜近場(chǎng)成像進(jìn)行了研究。研究結(jié)果主要包括：
　　 1．提出了金屬介質(zhì)法布里—珀羅(FP)濾光片在TM偏振下選擇合適的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)全角度窄帶透射濾光。這個(gè)全角度透射帶是由于在任意入射角度下，光線在兩個(gè)金屬層/間隔層界面上的反射相移和在間隔層中的傳輸相移的總和剛好接近2π。采用Air/Ag/ZnS/Ag/Glass結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了全角度窄帶透射濾光；另外在結(jié)構(gòu)中引入減反膜來(lái)增加濾光片的透射率。根據(jù)

3、高折射率介質(zhì)材料和金屬的低角度效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種新型窄帶濾光片，入射角度變化時(shí)中心波長(zhǎng)移動(dòng)較少，卻保持了較好的濾光特性。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，證明該濾光片能在較大入射角和光錐角入射的自然光下實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)介質(zhì)FP窄帶濾光片更好的性能。研究了金屬介質(zhì)周期薄膜結(jié)構(gòu)的投影能帶圖，發(fā)現(xiàn)能在TM偏振下實(shí)現(xiàn)全角度寬帶透射濾光。利用電磁波理論中的邊界條件分析了其物理機(jī)理，并實(shí)驗(yàn)制備了Ag/ZnS膜堆，驗(yàn)證了其全角度濾光特性。使用合適的參數(shù)，該濾光片可以在不同的波

4、段實(shí)現(xiàn)全角度濾波。
　　 2．介紹了一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)中的負(fù)折射效應(yīng)，并且利用數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)了近似為—1的等效折射率。在考慮實(shí)際材料參數(shù)的情況下，分析了該結(jié)構(gòu)的復(fù)Bloch波矢，表明材料吸收不只降低了結(jié)構(gòu)的透射率，也改變了光在結(jié)構(gòu)中的折射角；提出了另一種材料組合的結(jié)構(gòu)，對(duì)吸收的影響不敏感但仍然具有接近—1的等效折射率。根據(jù)TM偏振光和TE偏振光在一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)中的不同折射現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了偏振分束器。利用高斯光束頻譜展開(kāi)法模擬了

5、該結(jié)構(gòu)的分光特性，表明可以在寬波段寬角度實(shí)現(xiàn)雙透射式偏振分光。
　　 3．一維介質(zhì)材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)部分帶隙，而我們發(fā)現(xiàn)一維金屬介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)能在TM偏振下實(shí)現(xiàn)完全帶隙，限制結(jié)構(gòu)中的光向任意方向傳播，這個(gè)完全帶隙是周期方向上Bragg散射和界面方向上的金屬—介質(zhì)—金屬波導(dǎo)截止效應(yīng)共同作用的結(jié)果；通過(guò)數(shù)學(xué)證明討論了實(shí)現(xiàn)完全帶隙的一個(gè)充分條件；并且利用傳輸矩陣法以及時(shí)域有限差分法模擬證實(shí)了該完全帶隙能在實(shí)際金屬介質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)。