金属-介质-金属结构的超表面窄带吸收器应用广泛, 但金属固有的欧姆损耗会导致吸收峰的半高全宽偏大, 影响吸收器在传感领域的应用。本文用介质顶层结构取代超表面的金属顶层结构, 设计了一种介质-介质-金属结构的混合超表面窄带吸收器。吸收器由Al2O3倒圆台顶层阵列、SiO2中间介质层以及银膜基底组成, 通过有限元法对吸收器的吸收光谱进行仿真, 结果显示吸收器在可见光波段产生最大吸收率为99.88%、半高全宽为2.26 nm的吸收峰。通过与相同尺寸参数的金属-介质-金属超表面窄带吸收器进行吸收光谱和吸收峰处电场分布的对比, 分析两种结构不同的吸收原理。同时对混合超表面窄带吸收器尺寸参数对吸收峰的影响, 吸收器对外界折射率的传感性能进行仿真和分析, 为该结构吸收器的可调性和稳定性, 以及在折射率传感上的应用提供参考。

设计了一种由涂覆石墨烯的两根椭圆柱形和一根圆柱形电介质纳米线构成的基于石墨烯表面等离激元的纳米并行线波导。利用有限元方法, 对波导所支持的5个最低阶模式的传输特性进行了分析。结果表明, 波导所支持的这些模式均可由涂覆石墨烯的椭圆柱形和圆柱形电介质纳米线的基模和一阶模合成。工作波长或者石墨烯的费米能变化时, 这些模式的传输特性的变化趋势保持一致。模式1和模式2的传输特性受椭圆柱纳米线半长轴、中心间距和圆柱纳米线的高度的影响相对较大。模式3的传输特性受结构参数的影响相对较小。模式4和模式5的传输特性受椭圆柱纳米线半长轴、中心间距和圆柱纳米线的半径的影响相对较大。本文设计的波导采用了椭圆柱形结构, 增加了可调节的参数, 其传输性能优于由涂覆石墨烯的三根圆柱形电介质纳米线构成的波导。本文设计的波导在微纳光学器件集成和传感器领域具有一定的应用前景。

本文提出了一种基于二氧化钒(VO2)相变特性的温度可调控双频超薄太赫兹超材料吸收器, 该吸收器由顶层金-VO2谐振器, 中间SiO2介质层以及底层连续的金膜组成。在室温时, VO2处于绝缘态, 所提出的吸收器在共振频率4.11 THz和6.01 THz处实现吸收率分别为94.3%和99.6%的双频吸收; 随着温度升高至340 K, VO2呈现金属态, 吸收器的两个吸收峰发生红移, 在共振频率2.55 THz和5.29 THz处分别实现95.8%和93.4%的吸收。该吸收器的厚度仅为最小和最大工作波长的1/19和1/45, 具有超薄特性。通过VO2处于不同相变态时吸收器的表面电流分布阐明了可调控的吸收机制。此外, 本文所提出的吸收器对TE和TM波都具有极化不敏感和斜入射吸收的特性。

本文基于二氧化钒(VO2)独特的相变性质, 设计了一种带宽可调谐的多层超材料吸收器。吸收器由VO2方形环表面、聚酰亚胺(Polyimide)介质层、VO2薄膜层、十字形金(Au)层、聚酰亚胺介质层和金薄膜层构成。当VO2处于金属态时, 结构可作为宽带吸收器, 仿真结果表明在2.3 THz与5.3 THz之间吸收率超过90%, 且吸收性能对入射光偏振不敏感, 入射角度的改变对吸收性能影响较小。而当VO2处于绝缘态时, 结构可作为窄带吸收器, 仿真结果表明在7.1 THz处吸收率超过99%, 达到完美吸收效果, 此时同样对入射光偏振不敏感。此外, VO2处于绝缘态时, 吸收器结构具有良好的传感性能, 可拓展应用于成像、检测和传感等领域。

亚波长金属结构中的共振在纳米传感器领域是很重要的。本文研究了金属结构中纳米腔的共振特性及传感应用。构建了相关的倾斜腔、V形腔和X形腔, 其中V形腔由两个倾斜腔构成, X形腔由两个V形腔构成。利用时域有限差分方法模拟了三种腔与波导的耦合作用, 并应用耦合模理论对透射谱进行拟合验证。应用驻波理论分析了三种腔内共振的物理机制, 发现在倾斜腔和V形腔内皆有1条共振回路, X形腔内有2条共振路径。相对于倾斜腔, V形腔中存在连接模; 在X形腔中同时出现了对称和反对称的连接模。当破缺X形腔结构的对称性, 其共振模式发生分裂。考虑三种谐振腔结构的差动传感特性, 得到倾斜腔、V形腔和X形腔构成的气体折射率传感器的平均测量误差分别为0.003 91、0.001 85和0.000 37, X形腔传感最精确。X形腔中多共振回路形成多个共振模式, 有效地消除了多个环境因素的变化对传感的干扰, 从而得到更高的传感测量精度, 这为差动传感器的应用提供有价值的理论参考。

本文设计了一种含缺陷层的一维光子晶体,采用传输矩阵法研究了一维缺陷型光子晶体的光子禁带、缺陷峰与环境湿度之间的关系。环境湿度变化将致使构成一维缺陷型光子晶体的介质的折射率发生变化,而构成一维缺陷型光子晶体的介质的折射率变化将会引起一维缺陷型光子晶体的光子禁带与缺陷峰发生变化。本文研究了一维缺陷型光子晶体在TE模式和TM模式下其能带结构中的光子禁带、缺陷峰与环境湿度变化之间的关系。研究结果表明,TE模式和TM模式下,在0％RH～100％RH的湿度变化范围内,一维缺陷型光子晶体存在显著的双光子禁带,且两个光子禁带的起始波长、终止波长、禁带宽度及缺陷峰的中心波长都随环境湿度呈规律变化。

超宽带吸收是电磁吸收器追求的一个重要目标。本文设计了一种基于氮化钛和二氧化钛两种耐火材料的槽深渐变的光栅型光吸收器,采用有限元法分析了单元结构的周期、凹槽深度、凹槽宽度、涂层厚度和凹槽个数对吸收曲线的影响,并确定了各个结构参数的最优值。该吸收器利用电介质腔共振效应和表面等离子体共振效应对入射电磁波进行吸收。结果表明:在优化结构参数条件下,在500～2 000 nm波段范围内和0～80°入射角范围内,该吸收器的平均吸收率可达到90％以上,并且对入射角表现出不敏感性,实现了对可见光至近红外线波段电磁波的超宽带吸收。通过比较发现,凹槽顶部和底部采用半圆柱形结构时,吸收效果更优。由于构成该吸收器的材料为耐火材料,因此这种吸收器可以在高温环境下工作。该设计在光伏发电等领域有潜在的应用价值。

本文设计了一种基于纳米尺度分布式布拉格反射光栅(nano-DBR)结构的一维光子晶体宽禁带波长调制系统。根据155 μm通信光所在波段性质,DBR被精确的设计成光子带隙材料,由硅／空气多层结构周期性重复组成。其中,可动DBR受外力作用发生位移,利用间距的变化调制光子晶体透射谱的变化。采用严格耦合波分析(RCWA)来计算6个周期带隙结构的峰值透射谱变化。通过对模拟数据的统计分析,可得出所设计的nano-DBR一维光子晶体系统,在对应两个DBR间距位移变化从0到1 μm时,对应的一级透射峰可调制的范围在155 μm～27 μm,峰值最低透射率为0836 6。该系统灵敏度可达12~13左右。与同类型波长调制传感系统比较,在理论上具有更宽带隙调制范围,高辨识度和高灵敏度的优势。

本文通过理论计算与数值模拟,提出了不同阶数的高阶模式间相对相位的判定与锁定方法。在像平面对两束光的干涉光斑进行空间取样,计算其干涉光强随相对相位的变化,并在此基础上提出了判定与锁定两束不同阶厄米高斯光束HGmn以及不同阶拉盖尔高斯光束LGpl相对位相的方案,并对厄米高斯光束相位判定与锁定进行了实验验证。

为探究如何消除双芯光波导的模间色散,提出了一种纤芯填充高折射率溶液的双空芯光子晶体光纤,并基于全矢量有限元法进行了理论分析,获得了光纤的模式有效折射率、耦合系数、模间色散系数。研究结果表明:当纤芯所填充的溶液折射率为1.40时,光纤的y偏振方向上模间色散在800 nm传输波长处为零,理论上能够完全消除y偏振方向上模间色散导致的脉冲畸变。即,当传输光波长为800 nm时,这种光纤在y偏振方向上可以抑制模间色散,从而可以广泛用于全光开关、超短脉冲传输、光孤子传输等应用场合。