亚波长结构器件的电磁波吸收特性及应用研究

【摘要】由于新兴产业的共性要求：微型化和集成化，亚波长结构器件越来越受到人们的广泛关注。当器件的尺寸缩小到亚波长量级时，就会出现很多宏观条件下没有的新特性和新现象。利用这些亚波长结构的新特性，可以设计出新型的电磁波器件。本文利用时域有限差分法和有限元算法分别对亚波长结构器件在太阳光波段(400nm-1100nm)和微波频段(5GHz-15GHz)的吸收特性及应用进行了详细的研究，并根据研究结果提出了两种新型的宽带吸收器件。主要工作和成果如下：提出了一种周期性亚波长啁啾结构的太阳光波段的宽光谱吸收器件。这种宽光谱吸收器件可以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底部的厚且均匀的金属层，中间多个宽度不同的介质光栅和与上层介质相同宽度的金属薄膜组成。这种三层结构构成了多个宽度啁啾的金属-介质-金属谐振腔，每个谐振腔在局域表面的等离子激元效应作用下吸收共振波长附近的光子。采用线性啁啾的方式可将多个不同宽度的谐振腔组合在一个亚波长结构单元内，共振波长可以覆盖较大的光谱范围。通过设计合适的亚波长结构尺寸和相位匹配优化，可以在400nm-1100nm范围达到89.6%的平均吸收率。在相同的结构参数下将一维结构扩展到二维结构，由于二维结构具有轴对称性，因此它的滤波特性对入射光的偏振态不敏感。其中的介质是半导体Si，则该器件实际上一个超薄太阳能电池。在理想情况下的短路电流密度为13.99mA/cm2，比具有相同的硅厚度的平面系统的电池的密度（1.48mA/cm2）提高近9.5倍。提出了一种二维空间周期性排列的亚波长双啁啾结构的宽带微波超材料吸收器件，它可以实现微波频段5GHz-15GHz内的超宽带近完美吸收，平均吸收率可以达到97.8%。每个亚波长单元是由一系列不同宽度不同厚度的金属-介质双层四方形叠加形成平头的金字塔结构。金属-介质层的叠加构成了多个宽度和厚度均不同的金属-介质-金属谐振腔。每个谐振腔在阻抗匹配的条件下与某一频率的入射电磁波发生共振而强吸收共振频率附近的电磁能量。采用金属-介质层的厚度和宽度同时变化的双啁啾结构，可以在减少谐振腔数量的同时使共振频率覆盖很大的范围，且使吸收波谱平坦化或最优化。由于每个谐振腔的结构的上表面是正方形的，因此该宽带微波超材料吸收器件的电磁传输特性对入射电磁波的偏振态不敏感。
【作者】曹静；
【导师】王钦华；
【作者基本信息】苏州大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】宽带吸收；表面等离子激元；金属-介质-金属谐振腔；啁啾结构；超材料；太阳能电池；

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