应用物理毕业论文：多层膜超材料宽带光吸收器的吸收特性与机理分析.doc

1、天津理工大学本科毕业设计说明书（毕业论文）学生姓名 马 驰 届 2014 学院（系） 理学院 专业 应用物理 指导教师 杨 杨 职称 讲师 摘要纳米光子学(nanophotincs)是光学范畴中成长最迅猛的光学分支之一，所牵涉的光学器件的特征、尺寸和波长等都在同量级其中，有工业界对此前景的看好和强大投入的同时还源自于市场的无限需求。例如，各类电子产品，如数码相机、手机、电脑等产品的大量需求致使图像传感成像器件有了大量的供应链。像丰田、飞利浦等对发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)的钻研硕果曾经应用在其公司的产品中。学术界一直在探索纳米光子学在各领域中的应用。多层膜宽带光吸收是在 2

2、012 年由浙大的崔艳霞等人提出1。作者采用了慢光波导理论解释了光吸收机制。这种宽带光吸收器展现出优良的光吸收特性，但吸收机理较为复杂，可以从多个角度进行分析。例如，有报道从双曲色散波导角度加以分析2。该种宽带光吸收器一经提出便受到了研究者的广泛关注，也启发了更多的新型多层膜宽带吸收器的设计工作。通过本题目的研究设计过程对纳米结构吸收光时的机理有清晰的认识，掌握基本的电磁共振模式，即电偶极共振与磁偶极共振。通过本题目的训练，基本掌握数值仿真的建模步骤，初步理解有限元算法的过程和步骤，并会算一些简单的有限元数值模型。通过本题目的训练，能够学会用 matlab 数据可视化的基本操作。通过查找文献、

3、资料、应用学过的电磁学、电动力学、光学等课程知识，研究本题目的任务，查找相关的技术资料，提出设计方案。按照规定的时间，完成多层膜宽带光吸收器的建模、仿真和数据后处理。 关键词：多层膜光吸收器 表面等离子体波 有限元算法 电磁共振 电偶极子 磁偶极子 宽带波 ABSTRACTNano Photonics (nanophotincs) is one of the most rapidly growing branch of optics, optical category, characteristics of optical devices involved in size and wavele

4、ngth are at the same level of the industrial circles, prospects and strong investment at the same time but also from the market unlimited demand. For example, all kinds of electronic products, such as digital camera, mobile phone, large demand for computer products such as the image sensing imaging

5、device has a large number of supply chain. Like Toyota, Philips on light emitting diode (LED) and organic light emitting diode (OLED) was used in the study are the products of the company. The academic community has been exploring the application of nano photonics in various fields.Multilayer broadb

6、and optical absorption in 2012 by Zhejiang University Cui Yanxia et al 1. The slow light waveguide theory explains the absorption mechanism. The broadband light absorber show excellent light absorption properties, but the absorption mechanism is complex, can be analyzed from multiple angles. For exa

7、mple, there are reports of 2 from hyperbolic dispersion angle. The broadband light absorber was proposed by the researchers attention, also inspired the design work of the new broadband multilayer absorber more.Through the study of this topic in the design process of nano structure light absorption

8、mechanism of a clear understanding, grasp the basic mode of the electromagnetic resonance, the electric dipole and magnetic dipole resonance resonance.This topic through training, grasp the basic steps of the numerical simulation modeling, a preliminary understanding of the process and steps of fini

9、te element algorithm, and some simple finite element numerical model. This topic through training, to learn the basic operation of MATLAB data visualization. Through the literature search, data, application of learned electromagnetics, electrodynamics, optical course knowledge, the subject of the st

10、udy task, find the relevant technical information, puts forward the design scheme. In accordance with the provisions of the time, complete the multilayer broadband light absorber modeling, simulation and data processing.Keywords: Multilayer light absorber Surface plasma wave finite element Method of

11、 electromagnetic Resonance dipole dipole Broadband wave目 录封面 .摘要 .英文摘要 .第一章 绪论 .11.1 研究背景 .21.2 纳米光吸收结构的发展及应用 .3第二章 多层膜光吸收器的理论分析 .42.1 有限元算法简介 .52.2 多层膜光吸收器类型 .6第三章 不同吸收器对光谱的影响 .13.1 不同吸收器结构对光谱的影响 .2参考文献 .4致谢 .1第一章 绪论纳米光子学(nanophotincs)是光学范畴中成长最迅猛的光学分支之一，所牵涉的光学器件的特征、尺寸和波长等都在同量级其中，有工业界对此前景的看好和强大投入的同时

12、还源自于市场的无限需求。例如，各类电子产品，如数码相机、手机、电脑等产品的大量需求致使图像传感成像器件有了大量的供应链。像丰田、飞利浦等对发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)的钻研硕果曾经应用在其公司的产品中。学术界一直在探索纳米光子学在各领域中的应用。纳米光学科融汇于很多理论和科学的研究当中,不仅涉及到光学、数学、材料学、集成电路、化学、半导体学科、机械制造等，而且还需要大量的实验设备、昂贵的各种高精良的检测仪器6。未来的微纳光子学必将在现有的超级光子器件的技术瓶颈中有重大突破，如单分子晶体管，在现有的应用一直是最普遍的。尤其是在高尖端领域内的使用和普及率已相当广泛。例如:光导纤

13、维通讯、传感成像技术、测量技术、半导体的制造运用技术、航空航天光感电子元件的生产制造、光通讯、太阳能、不同场合下的照明技术、显示技术、数据储存、光互联领域等。其优势也令人印象深刻，分别是：体积小巧，运算传输速度超快、储存量更大、耗能比同类作用产品更少。我们在纳米光学的发展步伐基本和世界其他先进国家同步，国际上在此领域的资金投入在近几年的增长速度是非常大的。我国先后成立了一批重点实验室。省，市和地区研究中心的科研队伍不断壮大，而且人才的选拔也更为苛刻，研究人员数量正在不断增长，一些研究水平已经可以喝国际先进水平媲美。我们已经取得了一些显著的成果。以作者浅薄的观点，加快纳米光子学的探索和市场开发，

14、消减那些繁琐和重复的研究设计，应注意如下几个方面：（1）建立区域性的研究中心，以提供给投身于纳米光学研究和产品制造的研究技术人员使用，并且将此模式进行可持续发展。如加拿大，“光子学制造中心研究所”，每年都有不同的科研团队在此举行交流和学术分享会议。（2）加强对不同科研院、各部门、各高校以及不同地区之间的合作和共同研究的发展战略的实施，只要是“国家纳米技术研究网络（NNIN） ”所在的单位组织，成员都可以自由、平等地使用各种资源，并且可以有多个合作项目。虽然我们国家也有类似的一些研究组织，但在资源方面和信息共享的方面还需要借鉴美国的模式，让我们国家资源共享的平台更进一步为人民造福7。（3）共享的

15、测试设备，由于纳米光学研究机制的设备和机器价格不菲，所以很多没有条件的研究中心只能靠理论数据，而设备共享之后会解决一系列的问题，并且能将各种数据在不同设备、不同区域之间形成资源和信息的共享，充分利用了现有资源，并且有效的改善了国家经济困难。（4）充分地利用世界领先的设计软件，加快设计和虚拟样机的生产。由于试生产和检测的周期长，仿真是一个不可缺少的部。这样的设计是生产力的有效改良方式。现如今最常见的是时域有限差分法（FDTD），最常用于直接解决矢量麦克斯韦方程。与别的方式进行相比，它具有适用性，计算的广谱性，并占据相对小的计算机资源和其他优点8。金属中的微纳米级小颗粒表面等离子体由很多特殊的特性

16、，尤其是纳米结构的小金属颗粒。已经在精密仪器测量、生物传感器、集成电路、光子学、信息的可视化处理和新的清新能源等领域的广泛应用。一些物质的纳米结构已在纳米学科内进行使用，还包括轻金属和原子，分子，量子点，而且更多的被用于一些高尖端技术领域的研究问题。表面等离子体波的振动，可显著增长荧光辐射、拉曼散射和非线性光学等相互作用的速度、实现空间和时间的原子和分子辐射分布规律的有效监管，从而筛选出有效的光源。最近的北京国家实验室中心研究所凝聚态物理实验室领导的研究小组研究员致远光，正在研究一系列相互作用的光之间的作用和物质的金属纳米结构9。致远团队近年来在增益介质和金属微纳米粒子方面有大量的研究，并且取

17、得了很大的成绩。他们创建了纳米激光器的半经典分析理论。理论可以评估各种纳米激光、激光系统的各个部件的性能，例如纳米腔参数中的模体积、品质参数、消耗比、发射效率等。原子参数（数密度，线宽，谐振频率等），以及外部参数（泵送速率）和其它的相关性。因此，该理论具有良好的通用性可以在半导体激光器腔内，光子晶体微激光和等离子纳米激光器中使用。在此之前，由于纳米激光器几何形状复杂，采用数值模拟方法都是纯理论的研究，很困难对纳米激光器的性能和对系统有清晰的认识10。随着人类无止境地追求和探索，信息的传输和处理速度越来越快，越来越多的数据存储密度已经成为一种必然趋势。纳米光子器件制造技术的革新，打破传统化、多级

18、化、复杂化的任务迫在眉睫。传统技术的发展将面临新的挑战和机遇。纳米光子研究所在科学技术领导下，研究纳米才料对光的吸收效率和一系列的问题，并且在纳米尺度建立一个长期纳米光子学的研究目标。制造技术开辟了一条新的途径。人们继续追求这种科学探索是逐步实现理查德P.Feynman预言：“再大的规模都有足够的空间”。 1.1 研究背景纳米光子学科是一个科学界新兴的前沿。它提供了一个挑战的对基础学科的研究，而且还提供了新机会，新的技术。在微纳米界取造成了一定的冲击。这是一个多学科研究的创新，创造了物理学，化学，应用科学，工程和生物学和生物医学技术的创新机会。对于大多数人来说，这代表这纳米光子学在不同的情况下

19、的定义变得非常片面和学科范围狭窄。有些书和审查内容包含许多对纳米光子学的选择是否留存方面。然而，这是一篇必要的关于将纳米光子学提升为微纳米光子学器件对光的吸收作用的影响和光的粒子性的有关论文。此论文迎合了这一需求，纳米光子学提供了各学科的统一，全面的描述，以满足探索者的需求。这本论文的另一个目的是为研究人员、在此行业有志于推动这一新兴科学合作的企业有可能开发出多学科可以提供借鉴和参考11。纳米技术的研究重点,这个领域和行业是一个令人兴奋的新领域，在世界各地的研究人员喜欢扩展他们的想象力和创造力。光和介质的作用被一些光学器件局域在微纳米的范围之中。纳米光子学作为纳米技术的一个新的分支，对传统提出

20、了挑战，以及对新技术的诞生创造机会。关于对纳米科学的兴趣已经实现了从费曼的著名演讲 - “在底层还有很大的空间”（Feyman，1961 年Theres Plenty of Room at the Bottom）。他指出，如果把 1mm可以有限的划分成 10亿分之 1米，也就是在纳米量级的范围内了。就可以出现若干个分布能被处理和控制。我们生活在一个“纳米热”的时代。纳米的所有方面都被认为是非常令人兴奋的和有价值的。许多国家都推出了纳米技术的积极研究。 2002年，美国国家研究委员会发表了关于美国国家纳米技术倡议组织（NRC 的报告，2002 年）的详细报告12。写这篇文章的目的是通过引进纳米光

21、子学的思考激发更多的人的兴趣投身在这个新的领域会来。生物光子学、光子学是纳米光子学的分支研究。自光学诞生以来，光与物质相互作用的内部机制以及运用器件实现对光的操控，一直吸引着人们不断探寻。这个问题是理解众多物理现象的基础，同时也是科技领域至关重要的课题。近十几年来，纳米光子器件对光的操控引起了人们极大的关注。纳米光子器件可以实现对光的散射、吸收、反射、增强和局域等等。而我们的课题中研究的正是纳米微结构对光的吸收。通过本题目的设计，可以掌握分析光与物质相互作用的基本方法，对学过的电磁学、光学、电动力学等课程会有更为深入的理解，同时在纳米吸收器的具体科研问题中，知识会得到综合训练和提升，可有效的提

22、高实践能力和综合素质13。通过本题目的研究设计过程对纳米结构吸收光时的机理有清晰的认识，掌握基本的电磁共振模式，即电偶极共振与磁偶极共振。通过本题目的训练，基本掌握数值仿真的建模步骤，初步理解有限元算法的过程和步骤，并会算一些简单的有限元数值模型。通过本题目的训练，能够学会用 matlab数据可视化的基本操作。通过查找文献、资料、应用学过的电磁学、电动力学、光学等课程知识，研究本题目的任务，查找相关的技术资料，提出设计方案。按照任务书规定的时间，完成多层膜宽带光吸收器的建模、仿真和数据后处理14 。1.2纳米光吸收结构的发展及应用随着现在社会科学的进步，人们对纳米界研究的飞速发展。人们对能量的

23、可持续发展和高效率的应用技术早已有迫切的需求。很多人对信息的存储、处理和转移有了更多的要求，尤其是在器件的体积大小方面更是苛刻。所以，各种器件的设计也在朝着更节能，更高效，更方便的方向一直在改进。尤其是光学器件的创新和发展更让人瞩目，例如：光子学器件带替电子学器件，具有更多的优越性能，光子不存在静止的质量和一成不变的能量，光子在传输过程中牟携带电荷，不能产生库伦力，光子更具有在频率、振幅、相位等各方面的自由度。光子在器件下更加容易检测。如太阳能、光纤传输等。但是光子器件的更新始终不尽如人意。因为传统的光子器件会受到很多因素的制约，而且光子器件一般要求在微米和纳米的量级，而且会受到衍射极限的限制

24、，会导致大量的能量杯散射到器件之外。所以这些因素给光子器件的优化造成了很大的阻碍。怎样突破这些问题，尤其是衍射极限，和管制器件的集成问题，决定着光子学的进展和人们对这些器件是否能更加有效率的应用。表面等离激元学器件在处理速度上要比传统的光子学器件由很多的优势，而且在尺寸上可以达到微米纳米量级的要求，是光子学和电子学的优势的融合。在入射光激发下亚波长结构对电场、磁场、位移电流的分布情况不尽相同，类比射频、微波集成器件，不同介电特性的材料可以作为纳米光子学设计的基本元件。多层膜宽带光吸收是在 2012年由浙大的崔艳霞等人提出。作者采用了慢光波导理论解释了光吸收机制。这种宽带光吸收器展现出优良的光吸收特性，但吸收机理较为复杂，可以从多个角度进行分析。例如，有报道从双曲色散波导角度加以分析。该种宽带光吸收器一经提出便受到了研究者的广泛关注，也启发了更多的新型多层膜宽带吸收器的设计工作。最初的吸收器可以看作二维梯形截面结构，沿第三个维度无限延展。有报道把这种梯形结构扩展到第三个维度，变形为金字塔结构，也可以获得优良宽带光的吸收性质。还有研究者把多层膜做成纳米柱结构。此外，该种吸收器还应用到到微波段，并用实验和模拟的方法同时成功的实现了微波段的宽带吸收。