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基于夹层结构的长波红外超表面吸收器设计研究
罗奕
Subtype硕士
Thesis Advisor梁中翥
2019-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
Keyword超表面 长波红外 宽带吸收器 微桥结构
Abstract超表面是一种特殊的人工电磁材料,具备在纳米数量级对入射光进行高度多样化操纵的能力。近年来,超表面由于其强大的光场操控能力引起了广泛的关注和研究热度,在通讯、国防和能源等领域发挥了巨大的功效。在超表面众多应用中,宽带超表面吸收器是其中一个重要的研究方向,而将宽带超表面吸收器用于非制冷红外探测器,不仅有着更好的吸收性能,也更容易满足红外探测器集成化的需求。本文主要以长波红外宽带超表面吸收器的设计为基础,将易于制备长波红外宽带高吸收结构用于非制冷红外探测器,采用微纳加工工艺制备红外探测器微桥结构并设计将超表面吸收器集成其中,从而提高红外探测器在宽带范围内对红外辐射的吸收。主要研究结果和内容如下:(1)提出了一种波长可选择、超薄的、基于金属-绝缘体-金属夹层(MIM)结构的长波红外吸收器,该结构由图形化的金属-介质对组成。这种MIM结构的超表面吸收器可以看作一个由磁场墙封锁的谐振腔,谐振腔能够将电磁波的能量强烈地耦合进腔模式中从而导致增强吸收。由于超表面吸收器的吸收原理是基于纳米结构的表面等离子体共振效应,完美吸收仅仅出现在等离子体共振被激发的特定波长,其窄带吸收的特性严重妨碍了它的潜在应用。为了实现宽带高吸收,最直接的方法是集成多个子单元结构,构成一个超像元。通过灵活地组合不同尺寸的金属-介质对可以获得在长波红外波段的宽带高吸收结构,最终提出的结构在6.3-14.8μm范围平均吸收率超过90%,相对于其他在长波红外波段复杂图形的窄带吸收结构具有吸收波段宽,吸收率高,易于制备等优势。(2)提出了一种新型超宽带、偏振无关、广角超表面长波红外吸收器,其MIM腔嵌入到块状介质圆盘中。在长波长红外区域,由介质加载的表面等离激元波导模式和谐振腔结合产生的混合模式以及PSP模式激发是形成宽带高吸收的主要原因。该结构在8μm到16μm的区间内吸收率大于94%,在整个LWIR波段(8-14μm)的吸收率大于95%,相比于和该结构类似的传统的MIM结构来说吸收性能得到了大幅提升。此外,11.22-12.46μm和13.26-14.59μm波段的吸收率接近完美(超过99%)。结果表明,通过改变相关的几何参数,可以灵活地调整谐振波长和工作带宽。该工作为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供了参考,该设计方法可推广到中波红外波段、甚长波长红外、太赫兹等其它波段。(3)多层膜型非制冷红外探测器的MEMS工艺制备:设计了一种制备非制冷红外探测器微桥结构的工艺流程并采用微纳加工工艺制备该结构,将宽带超表面吸收结构集成设计在微桥结构中可以显著提高对红外辐射的吸收,提高探测器的性能。这种工艺易于控制微纳结构的尺寸,可以实现微桥结构与底部读出电路的单片集成。
Pages79
DOIAB011BDC114223888A19C48E0AA2211C
Language中文
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Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63916
Collection中科院长春光机所知识产出
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GB/T 7714
罗奕. 基于夹层结构的长波红外超表面吸收器设计研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.
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