单晶硅介质可调超构表面的设计

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超构表面是由人工制备的亚波长基本结构单元周期排列而成,能够对入射电磁波的相位、振幅、偏振进行调控。在早期的研究中,基于金属的等离子激元超构表面是主要的研究方向,并得到了广泛的应用。然而金属在可见光和红外波段的欧姆损耗较高,因此科研人员逐渐将注意力转移到介质超构表面。由于介质材料在可见光和红外波段损耗极小,折射率高,并且可以与广泛应用的CMOS技术兼容,因而广泛应用于超构表面。进一步地,利用制备超构表面材料的某些性质,可以增加控制超构表面的维度,使得超构表面能够更好的控制电磁波,这种超构表面称之为可调超构表面。因此,利用电介质材料制备可调超构表面能够实现低欧姆损、对可见光多个维度调控的光电子芯片。这对于将集成的光电子芯片在可见光波段实现高效调控具有重要意义。本文基于电磁感应透明(EIT)共振原理,设计了在可见光区域工作的单晶硅介质超构表面。本文实验材料选择目前制备技术较成熟的单晶硅作为制备材料。利用基于有限元法的模拟仿真软件对设计的单晶硅介质超构表面进行模拟,得到具有EIT现象的介质超构表面。并通过研究超构表面基本结构单元几何参数对超构表面的影响,得到超构表面光学性能变化规律。利用微纳制备技术实现单晶硅介质超构表面的制备,经多次重复实验,得到单晶硅介质超构表面。随后搭建光路并利用光路对单晶硅介质超构表面进行测量。可以在透射谱中看到透射窗口,根据谐振发生原理设计入射光角度变换的实验,验证透射窗口对应波长处超构表面确实发生EIT共振现象。进一步的研究将单晶硅介质超构表面扩展到可调介质超构表面。本文主要设计了两种在可将光波段实现可调超构表面的方案,一是将单晶硅超构表面与柔性的PDMS基底结合设计机械可调超构表面。通过仿真计算,模拟机械可调超构表面每次拉伸后的透射和反射光谱,根据仿真结果可以看到光学性能随拉伸尺寸变化,机械可调超构表面的最大变形量为133%,透射率的最大变化率为80%以上,可以应用于机械调控的光开关。另一种方案是利用温度对半导体材料折射率的影响,设计了热可调超构表面。通过模拟仿真,得到温度对热可调超构表面的影响规律,验证热可调超构表面的可行性,可以得到透射率的最大变化率为75%以上,这一超构表面可以用于热光开关等。
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