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摘要

表面等离激元(SurfacePlasmons,SPs)是存在于任何两种材料间的界面上的

相干电子振荡，并沿导体表面传播。自从被发现以后，研究人员将SPs的理论与

纳米材料相结合，应用于超材料以及微纳米结构设计中，并在宽带及窄带的完美

吸收、非线性光学、高灵敏度光学传感、太阳能吸收、无损检测等方面开展了不

错的应用。

本文以SPs的理论为基础，完成了微纳光学结构的设计以及光学特性的模

拟仿真研究。设计了两个超材料纳米结构，并使用时域有限差分法(FDTD)进行模

拟仿真，主要进行了以下的研究：

1.通过在基于狭缝阵列的光栅结构中引入电光(Electro-optic,EO)介质，对

具有多波段等离子体共振的窄带光吸收器进行了数值研究，以实现高性能的电操

纵。最大吸收效率达到99.5%。光谱位移灵敏度达到0.99nm/V。此外，由于采

用了锐共振，得到了较大的光谱强度变化，从而保证了操作过程的高信噪比。结

果表明，强表面等离子体共振和局域光腔模式可以引入多模在光学调节过程和光

电操纵过程中的微分响应。这些特性不仅有助于生产基于光吸收器的新型EO调

制器平台，也为腔增强型高性能EO操作开辟了新途径。在较宽的结构参数范围

内均能保持较好的吸收性能，说明制备工艺可以具有较高的公差。这一发现为利

用强电磁场增强的窄带吸收器实现高性能操作提供了新的思路，并在动态开关、

滤波、显示等领域具有广泛的应用前景。

2.从理论上研究了一种基于电光波导腔耦合等离激元微结构的频域选择

性光吸收器。由于立体结构不同位置的不同共振行为，在可见光和近红外波段同

时实现了光谱分离的宽带近完美吸收峰和窄带吸收峰。这种空间和频率选择性光

吸收在电光操作期间表现出令人印象深刻的响应。可见光吸收带保持良好，而较

长波长范围的吸收峰对外加电压的响应显著。数值模拟结果表明，当施加电压时，

红外吸收峰的光谱位移相关灵敏度达到7.1nm/V。同时，吸收效率仍保持在较高

水平，强度超过97.5%。这些发现为利用与空间几何相关的共振超材料进行差分

光吸收和光谱操纵开辟了一条便捷的途径。

关键词：等离激元；光吸收器；电光效应；局部光学腔

I

目录

中文摘要I

AbstractII

目录IV

引言1

1绪论2

1.1表面等离激元2

1.1.1表面等离激元理论及其分类2

1.1.2近年表面等离激元的应用2

1.2电光效应4

1.2.1电光效应理论4

1.2.2电光效应的应用5

1.3研究方法5

1.3.1麦克斯韦方程组6

1.3.2时域有限差分法6

2高性能电光操控的光吸收器8

2.1研究背景8

2.2结构设计及仿真方法9

2.3结果分析与讨论10

2.4总结16

3基于非线性超材料光吸收器的高性能电光操控17

3.1研究背景17

3.2结构设计与仿真方法18

3.3结果分析与讨论20

3.3总结26

4论文总结与展望27

4.1论文总结27

4.2展望28

参考文献29

致谢40

在读期间公开发表论文（著）及科研情况42

IV

基于表面等离激元的高性能电光操控和光吸收器的研究

引言

本文设计了两种结构体系，分别为金属-介电复合结构体系、ITO包覆截断

金属锥-底部缓冲EO层-金属结构体系。

首先，本文的引言部分将超材料以及超表面进行简单地介绍。其次，在对

研究结果的电磁场分布分析时，这两种结构均使用了表面等离激元、电光效应、

光学腔的相关知识。由此，将在第一章介绍SPs、EO效应以及光学腔的相关概