基于十字分形的纳米天线设计及光学特性研究

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纳米天线是传统天线在光频段的延伸产物,因能将入射的光束耦合到远小于衍射极限的空间尺度而备受广大研究人员关注。在光学纳米天线的传统设计方法中,研究人员通常利用常见几何行状的堆叠、排列和组合等方式建立结构模型。为了得到出色的实验结果,要经过反复地参数调整、扫描和优化,工作量庞大且低效,而分形几何的出现就很好地抑制了结构尺寸的计算复杂性,提高了仿真效率。此外,利用经典的分形理论所设计的纳米天线能拓宽纳米天线的波段,这主要由分形几何的自相似性来决定。本文以简单“十”字为基本分形迭代单元,分别设计了十字缝隙分形纳米天线和三维多层十字分形的纳米超材料吸收器来实现优异的光学特性。首先,针对传统天线存在的透射率低、波段窄等问题,提出了十字缝隙分形纳米天线,并采用时域有限差分法(Finite difference time domain method,FDTD)研究其异常透射特性及其物理参数对异常透射特性的影响。该纳米天线以贵金属Ag作为天线主要材料,在Ag材料表面做简单的十字分形刻蚀迭代。一般地,可以通过改变纳米天线的物理参数来实现对纳米天线的调控。结果表明,较于传统纳米天线结构,十字缝隙分形结构实现了光的异常透射及全2?透射光束相位调控,尺寸更小型化,半波宽(FWHM)更宽,透射率更高,最高可达99.51%;通过调整物理参数,透射谱呈现出红移或蓝移的特性,实现了透射谱的可控性;同时,当h=50nm时,FWHM约为356nm,透射率仍高达95.66%,普遍高于传统结构;并且在大入射角度(70~o)下,峰值透射率仍旧大于74%。总之,十字缝隙分形纳米天线具有宽频、可控可调、结构更微型化等特点,且实现了光的异常透射,应用范围更加广泛。其次,针对纳米天线吸收率低、波段窄问题,提出了三维多层十字分形的纳米超材料吸收器,并采用FDTD法系统地研究了其吸收机理和吸收特性。该吸收器以金属Au层为基底层,以填充金属Fe材料的Si环为中间层,以两个Fe-Si层堆叠的十字分形层为上层。在该吸收器结构中,太阳能量被上层的十字分形柱和中间层中充满Fe的Si环所俘获。结果表明,吸收器在400至2000nm波段内表现出高于91%的吸收率,并且吸收带宽为133%。此外,所提出的吸收器实现了偏振无关,并且最大入射角为76°。由于超材料吸收器中的铁材料容易被氧化和生锈,因此用具有耐腐蚀性和耐高温性等优良特性的镍替代了铁,从而获得了改进的纳米超材料吸收器。改进的超材料吸收器不仅消除了上述结构的易腐蚀缺陷,而且还保持了偏振无关和高吸收率特性,并将入射角扩大到79°,从而可应用于众多研究领域。
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