亞波長金屬周期結(jié)構的負折射和局域場增加效應的研究.pdf

1、對光與物質(zhì)之間相互作用的理解以及對光及電磁波的操控,一直是人們夢寐追逐的目標,也是科技領域中至關重要的課題。隨著工藝技術的長足進步,人們可以制造微米,甚至納米級的具有任意形狀或圖案的金屬周期結(jié)構。當電磁波與這些具有亞波長尺寸的金屬周期結(jié)構發(fā)生作用時,出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和新效應,例如metamaterials(即電磁超介質(zhì))和表面等離子體?！半姶懦橘|(zhì)”是通過周期排列某種幾何結(jié)構單元獲得的具有自然媒質(zhì)所不具備的新型電磁特性的一種人工材料。電

2、磁波能夠在有效介電常數(shù)和有效磁導率同時為負值的電磁超介質(zhì)中表現(xiàn)出后向波傳輸、負折射、倏逝波放大等奇異特性。電磁超介質(zhì)的電磁性能高度依賴單元的幾何結(jié)構,這為人們獲得具有超常電磁性能的“新媒質(zhì)”提供了一種全新的材料設計理念,為人們操縱、控制光及電磁波提供了新的途徑。
　　 電磁超介質(zhì)通?；诮饘俚慕Y(jié)構單元,采用金屬便于實現(xiàn)形狀或圖案各異的周期結(jié)構,但金屬的損耗問題是限制金屬電磁超介質(zhì)負折射性能及其應用的關鍵。結(jié)構簡單,易于制備,且性

3、能(低損耗、寬頻帶、固態(tài)的、均勻各向同性)良好的電磁超介質(zhì)是科研工作者追求的目標。本論文設計并研究了幾種工作在微波、太赫茲和紅外波段的電磁超介質(zhì),探索可以實現(xiàn)“負折射”,且能有效降低損耗的結(jié)構和機制。同時,針對制約表面增強光譜技術實際廣泛應用的瓶頸,即傳統(tǒng)襯底結(jié)構可控性差導致的表面增強光譜重現(xiàn)性差的問題,對具有可控、穩(wěn)定、高效的電磁場增強效果的電磁超介質(zhì)結(jié)構在表面增強光譜襯底方面的應用進行了探索。
　　 本文的研究工作和創(chuàng)新點如

4、下:
　　 1.研究了電磁波垂直入射時雙閉合環(huán)和雙劈裂環(huán)共振器的電磁響應及其微觀機制。發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)外環(huán)電響應的共振耦合,雙環(huán)共振器具有低頻的反對稱模和高頻的對稱模。利用外電場激發(fā)內(nèi)外環(huán)“斷續(xù)線”型電響應和反對稱模貢獻的負磁導率,雙環(huán)共振器可以在電磁波垂直激發(fā)時實現(xiàn)負折射。
　　 2.設計了一種工作在太赫茲波段的等方型十字孔漁網(wǎng)電磁超介質(zhì)結(jié)構,研究了主要結(jié)構參數(shù)對其電磁響應以及左手性能的影響,并利用磁響應的LC有效電路模型解

5、釋左手頻帶對結(jié)構參數(shù)的依賴關系。與現(xiàn)有的矩形孔漁網(wǎng)狀“金屬/電介質(zhì)/金屬”電磁超介質(zhì)相比,該結(jié)構的電磁響應可以不依賴入射電磁波的偏振,并且具有較高品質(zhì)因數(shù)(FOM>4)和透射率(T>80％)。
　　 3.探索分布有孔陣列的漁網(wǎng)電磁超介質(zhì)結(jié)構在其左手通帶發(fā)生的超強透射現(xiàn)象的起因,發(fā)現(xiàn)左手通帶緊鄰與波導諧振模式關聯(lián)的超強透射峰,利用超強透射效應可以有效降低電磁超介質(zhì)的損耗,提高品質(zhì)因數(shù)。漁網(wǎng)結(jié)構中電介質(zhì)層和金屬層厚度對磁共振以及左手

6、性能的影響主要源自于波導諧振模式對孔尺寸以及深度的依賴。
　　 4.提出一種偏振可控的近紅外雙左手通帶平面電磁超介質(zhì),即具有不對稱十字孔(十字孔的兩臂長或臂寬不同)陣列的“金屬/電介質(zhì)/金屬”結(jié)構。詳細討論并利用理論模型解釋改變臂長和臂寬對雙左手通帶的調(diào)制作用。進一步計算空間局域電場分布發(fā)現(xiàn)與等離子體模式關聯(lián)的激發(fā)電場可以在兩金屬板中間區(qū)域引起12倍的電場增強,當探針分子處于這些“熱點”位置時可以獲得～104的拉曼信號增強。

7、r>　　 5.系統(tǒng)研究了不對稱雙劈裂環(huán)陣列結(jié)構在光波垂直入射下的可調(diào)諧等離子體光學性能和不同共振模式激發(fā)時的場增強效應。該結(jié)構在近紅外和可見光區(qū)域有兩個強消光峰,分別對應等離子體的一階共振(Ⅰ)和二階共振(Ⅱ)。通過激發(fā)不同的共振模式,不對稱雙劈裂環(huán)陣列結(jié)構可以在近紅外和可見光波段,在相同空間區(qū)域,即裂口位置獲得顯著增強的電場,電磁場熱點位置位于金屬弧的棱邊和棱角附近,最大電場增強接近或超過一100,分別對應紅外吸收和拉曼增強因子～1