基于表面等离子体激元的光学滤波片与完美吸收超材料的设计及数值模拟
本文主要介绍了基于表面等离子体激元的光学滤波片和完美吸收超材料的设计及数值模拟。通过有限时域差分法(FDTD),设计了两种不同结构的光学滤波片和一种完美吸收超材料。
第一种光学滤波片是两面有不同对称结构的亚波长孔洞阵列的金膜。金膜上穿透孔阵列和未穿透孔阵列相互嵌套。第二种滤波片基于亚波长孔洞-圆柱复合结构的周期性阵列。通过FDTD计算,发现这两种不同结构的滤波片均能通过改变一些几何参数有效地调节透射峰的强度和位置。
在光学模拟中,发现传播型表面等离子体激元的(1,0)能级出现劈裂。当入射光正入射照在有未穿透孔阵列的金膜表面时,与传播型表面等离子体激元(1,1)模相关的透射峰随着未穿透孔深度的增加而逐步增强并且红移。当入射光正入射照在没有未穿透孔阵列的金膜表面时,与传播型表面等离子体激元(1,1)模相关的透射峰随着未穿透孔深度的增加先增强后减弱。
在完美吸收超材料的设计中,提出了一种基于介质•介质•金属结构的设计。模拟发现这种基于介质•介质•金属结构的完美吸收超材料在可见光和红外波段具有双波段的完美吸收。通过麦克斯韦方程的分析,认为这种完美吸收超材料的工作机理是由于氮化硅周期性颗粒面上的电偶极共振,导致入射光的能量转变成传播型表面等离子体激元的能量,并被局域在氮化硅单元阵列或石英薄膜内。
此外,本文还设计了在微波波段的基于二维复式孔洞-圆柱阵列的滤波片。通过实验,观测到高达90%以上的透过率。提出了新的模型解释测量到的高透射率。入射电磁波照射在样品上时,亚波长小孔的辐射相当于一个磁偶极辐射。当圆孔中塞入铁柱时,铁柱在外电场的作用下产生电偶极共振,铁柱的电偶极共振显著的增强了亚波长小孔的磁偶极辐射,最终导致入射电磁波能量高通穿过狭缝阵列。
本文的研究工作为基于表面等离子体激元的光学滤波片和完美吸收超材料的设计及数值模拟提供了有价值的参考。