【摘 要】
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中红外波段具有大气透明窗口、热辐射和分子指纹吸收等特殊性质,在基础研究和应用领域具有广阔的研究价值。光学天线是微纳光学中近年来新兴的概念,类似于射频和微波天线,光学天线能实现自由空间传播的光场与亚波长局域场能量之间的耦合和交换,是光场调控的有效途径。亚波长金属或介质结构中的共振模式在发光器件、光电调制器和光谱技术等领域有着广泛的应用。本论文对中红外光学天线的共振模式特性和物理机理进行了深入研究,采
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中红外波段具有大气透明窗口、热辐射和分子指纹吸收等特殊性质,在基础研究和应用领域具有广阔的研究价值。光学天线是微纳光学中近年来新兴的概念,类似于射频和微波天线,光学天线能实现自由空间传播的光场与亚波长局域场能量之间的耦合和交换,是光场调控的有效途径。亚波长金属或介质结构中的共振模式在发光器件、光电调制器和光谱技术等领域有着广泛的应用。本论文对中红外光学天线的共振模式特性和物理机理进行了深入研究,采用金属-介质-金属结构研制了尺寸渐变的条形贴片和非对称“十”字型微结构天线,实现了多个磁偶极子叠加和杂化形成的磁共振、环形矩和磁四极子等新颖共振模式,揭示了角度不敏感的宽带共振吸收、高品质因子、偏振选择性激发等独特模式特点,并实现了微结构调控的宽带红外吸收、交叉偏振转换和高灵敏折射率传感等性能。研究结果丰富了红外光学天线的新颖特性,对于微结构等离子天线共振模式的理解和器件研制具有研究价值。论文的主要创新研究工作包括:1.基于多个磁偶极子的共振叠加,设计并制备了尺寸渐变的条形贴片天线,实现了角度不敏感的中红外近完美宽带吸收。金属-介质-金属三层结构中的磁偶极子共振被广泛用于实现各个波段的完美吸波体,本论文基于磁偶极子与自由空间光之间的角度不敏感耦合机理,提出了尺寸渐变的金属条形贴片天线,其结构由300 nm厚的Cu基底、600 nm厚的Al2O3介质和100 nm厚的金属条阵列组成,其中上层的金属条的宽度在1.6?m到4.2?m范围内逐渐变化。实验测试表明该天线样品在29.2～38 THz频段的吸收率超过80%,在0?-75?入射角范围内均保持宽带强吸收特征,具有角度不敏感的共振吸收新性质。2.利用多个磁偶极子的耦合杂化,设计并制备出非对称的“十”字型微结构天线,实现了具有高品质因子的环形矩共振模式,并揭示了其独特的偏振转换和折射率传感性质。受限于金属本身的欧姆损耗,常规金属微结构中的电共振和磁共振模式通常具有较高损耗,其品质因子一般小于20。基于多个磁偶极子的相干耦合,论文研制了非对称的“十”字型微结构天线,其由300 nm厚的Cu基底、500 nm厚的Zn Se介质和金属条阵列组成,其中上层的金属条阵列由四个长为550-700 nm、宽为150 nm的金属棒按“十”字型非对称方式排列。测试结果表明天线样品在82.6 THz处具有环形矩共振模式,其磁场呈首尾相连的涡旋状,品质因子Q为60.2。该模式在-45°、15°和75°等特殊偏振角度下被激发,在-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°和90°等偏振角度下具有效率为17%的交叉偏振转换性能,同时还具有优值FOM为4的折射率传感性能。该项工作实现的环形矩模式的品质因子和折射率传感优值是红外波段同类金属天线中的最高值。3.在所研制的非对称“十”字型微结构天线中,还实现了具有高品质因子的磁四极子共振模式。磁四极子作为一种高阶的磁共振模式,具有低辐射损耗和强局域场增强等重要特性,由于其具有暗模式的属性,在光学天线结构中通常难以被观察。在论文研制的非对称“十”字型微结构天线中,除了82.6 THz处的环形矩共振模式,实验在80.4 THz处还观察到了磁四极子模式,多极子展开分析表明该模式由方向相反的两对磁偶极子耦合形成,具有86%的共振吸收,品质因子Q为57.4,在-75°、-15°和45°等特殊偏振角度下被单独激发,其激发的偏振条件与82.6 THz处的环形矩共振模式不同。此外,该磁四极子模式在-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°和90°等偏振角度下具有效率为18.4%的交叉偏振转换性能,与82.6 THz处的环形矩共振模式类似。该工作揭示的磁四极子模式对于光学天线结构中高品质因子暗模式的研究具有启发意义。
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