含損耗材料的一維光子晶體的增強(qiáng)吸收特性研究.pdf

1、自從Yablonovitch和John分別提出光子晶體的概念以來，這類介電常數(shù)或者折射率周期排列構(gòu)成的人工微結(jié)構(gòu)受到了人們的廣泛關(guān)注。光子晶體按組成材料，可分為全介質(zhì)光光子晶體和金屬-介質(zhì)光子晶體。光子晶體的基本特征是存在光子禁帶，落在此頻率范圍內(nèi)的電磁波不能透過該結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的物理機(jī)制是布拉格散射。相對(duì)于二三維結(jié)構(gòu)的光子晶體，一維結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備，是其中的研究熱點(diǎn)。本論文，在可見和近紅外波段，主要針對(duì)含有損耗材料的一維復(fù)合多層

2、膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容可分為以下兩部分，分別對(duì)應(yīng)第二和三章的內(nèi)容。
　　本文第二章主要研究了光波在由金屬和全介質(zhì)光子晶體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多重增強(qiáng)吸收特性。近幾年，一種新型的表面局域模式-光學(xué)Tamm態(tài)受到了人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)的表面態(tài)相比，光學(xué)Tamm態(tài)不僅可以在TE和TM兩種偏振下被激發(fā)，而且波矢在光錐以內(nèi)（包括正入射）也可以被激發(fā)。利用這種新型的光學(xué)表面態(tài)，并滿足隧穿條件，光波在厚金屬膜表面的反射率等于零，從而

3、實(shí)現(xiàn)特定頻率光波的增強(qiáng)透射，甚至完全吸收。但是近幾年比較多的工作，集中于理論上研究基于光學(xué)Tamm態(tài)實(shí)現(xiàn)單通道或者多種窄帶增強(qiáng)吸收，實(shí)驗(yàn)工作較少。我們針對(duì)一種厚金屬膜和有限介質(zhì)光子晶體中間插入一層特定厚度的介質(zhì)材料后形成的光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用磁控濺射和離子束輔助沉積技術(shù)，主要在實(shí)驗(yàn)上研究了其中的多重光學(xué)吸收態(tài)，證明通過改變插入介質(zhì)層的厚度，可以實(shí)現(xiàn)單通道或者多重窄帶近完全吸收，即光學(xué)吸收態(tài)的個(gè)數(shù)與插入層的厚度有很大的依賴關(guān)系。理論模擬和實(shí)

4、驗(yàn)測(cè)量結(jié)果符合很好。利用這樣的結(jié)構(gòu)可以制備新型的窄帶光吸收器件。
　　在第三章中，我們研究了光波在含有ITO薄膜作為缺陷的光子晶體的增強(qiáng)吸收性質(zhì)。我們首先理論設(shè)計(jì)了含有ITO缺陷的對(duì)稱與非對(duì)稱光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了窄帶的近完全吸收。相比金屬這類高損耗系數(shù)的材料具有的介電常數(shù)不容易調(diào)解的特性，金屬摻雜氧化物比如ITO、GZO等材料被發(fā)現(xiàn)具有類金屬的性質(zhì)，并且這類材料的等離子體頻率和折射率參數(shù)可以通過改變摻雜濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此含摻雜金屬

5、氧化物光子晶體的光學(xué)特性受到了人們的關(guān)注。在本章節(jié)中，我們?cè)诠庾泳w中插入ITO缺陷，形成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光波的近完全吸收。并與ITO作為缺陷的對(duì)稱光子晶體的結(jié)果做了比較，通過分析光波在兩種結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)強(qiáng)分布，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中光波在ITO層的場(chǎng)強(qiáng)局域強(qiáng)度明顯高于光波在對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)強(qiáng)局域強(qiáng)度，因此使得非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷頻率光波的吸收率接近1。另外，我們也發(fā)現(xiàn)，如果光波從非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的另一側(cè)入射時(shí)，缺陷波長光波的吸收率接近0，因此，這樣的結(jié)構(gòu)