基于等离子体填充的可调谐Fano共振超表面研究

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Fano共振是一种会产生非对称线型的共振现象,其非对称线型源于离散态的窄谱和连续态的宽谱之间的干涉作用,并广泛应用于微波、光学和太赫兹频段。基于全介质和金属表面等离激元结构所实现的Fano共振呈现出很多具有强吸引力的特性。通过改变结构几何参数实现的可调Fano共振的方式称为无源可调,具有可调自由度小的缺点。而通过改变电参数和磁参数实现的动态可调称为有源可调。等离子体是一种色散材料,其相对介电常数与入射波频率和等离子体密度紧密相关,通过改变等离子体密度就可以改变等离子体的相对介电常数。等离子体光子晶体相比光子晶体而言,其独特性在于可以实现光子带隙的有源可调。本文基于有限元法数值仿真,首先研究了一维点缺陷等离子体光子晶体的光子带隙及其可调特性,然后利用等离子体填充的一维超晶格阵列结构实现Fano共振现象,研究了结构的几何参数和等离子体密度对Fano共振频率的影响,同时理论上解释了Fano共振的形成机理。研究的主要成果和创新如下:研究了一维无缺陷及点缺陷PPCs的传输特性及光子带图,分析了等离子体密度对光子带隙的影响。结果表明,在无缺陷结构中,等离子体密度对光子带隙的数量、带隙中心频率、带隙宽度和带隙深度都有影响。在点缺陷的结构中,等离子体密度会影响缺陷模的透射率和模式频率。对比传输谱和光子带隙图,可知透射率为零的频率对应带隙图中的禁带,并且在缺陷结构的带图中,禁带中出现了一条导带,对应于传输谱中的缺陷模。同时,研究了等离子体密度对TE模和TM模光子带图的影响。研究了等离子体填充的一维超晶格阵列结构实现的可调谐可重构Fano共振。讨论了超晶格结构的透射谱、光子带图和单个等离子体柱的Mie散射和雷达散射横截面,证明了Fano共振产生于Mie散射。发现Mie共振和Fano共振频率都对应光子带图中一条无色散的平带。讨论了Fano共振的有源可调谐可重构特性。研究了等离子体半径、石英管厚度对Fano共振、Mie散射和雷达横截面的影响,利用边界条件解释了Fano共振和Mie散射共振频率之间存在频率差的原因。此外,还研究了等离子体的碰撞频率对等离子体超晶格阵列的透射谱、Fano共振线型的影响和对实验结果的影响。利用一维银纳米光栅结构验证从完美晶格转换为超晶格时是否依然会出现Fano共振。结果表明,从完美晶格转换为超晶格时的确产生了Fano共振。当在完美晶格的每个Ag栅上加一层介质薄层时也会产生Fano共振现象,通过采用合适的材料时,可以实现可见光到近红外波长范围内的可调谐Fano共振,并可以实现从单Fano到多Fano的调谐。
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