基于周期结构的表面等离激元电磁特性及应用研究

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1、中图分类号：O441.4论文编号：102870416-B015学科分类号：081001博士学位论文基于周期结构的表面等离激元电磁特性及应用研究研究生姓名许秉正学科、专业通信与信息系统研究方向新型人工电磁材料指导教师顾长青教授南京航空航天大学研究生院电子信息工程学院二О一七年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofElectronicandInformationEngineeringResearchontheE

2、lectromagneticCharacteristicandApplicationsofSurfacePlasmonbasedonPeriodicStructureAThesisinCommunicationandInformationSystembyXuBingzhengAdvisedbyProf.GuChangqingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2017南京航空航天大学

3、博士学位论文摘要表面等离激元具有独特的电磁特性，可以有效突破传统光波的衍射极限，在存储、开关和滤波等方面有着广泛的应用。随着新型人工电磁材料的发展，表面等离激元已经从光波段拓展到了微波及太赫兹波段。本文以亚波长周期结构的表面等离激元（SurfacePlasmon，SP）为基础，分别研究了人工局域表面等离激元（SpoofLocalizedSurfacePlasmon，SpoofLSP）和石墨烯表面等离激元在微波和太赫兹波段的电磁特性及其应用，本文的主要内容和贡献包括以下几个方面：1.在对人工局域表面等离激元的电磁特

4、性进行分析的基础上，提出了一种构建双频人工局域表面等离激元谐振器的方法。结构在圆周方向刻蚀有不同深度的周期性凹槽，实现了两个频带谐振，通过改变周期性凹槽的深度和填充材料，可实现两个频带内谐振频率的灵活调控和干扰抑制。2.基于模式展开方法和等效媒质理论，建立了人工局域表面等离激元谐振腔的电磁模型并分析了其谐振特性；提出了一种支持人工局域表面等离激元的双频谐振腔结构，该结构通过在理想电导体构成的腔内刻蚀不同深度的凹槽，实现了在双频带内的谐振效应。3.研究了非同心闭合周期性凹槽结构的场局域效应，与同心结构相比，实现了局

5、域场场强的进一步放大。提出了一种非同心的人工局域表面等离激元谐振结构，该结构紧凑，对入射电磁波的极化敏感特性高，可用于微波和太赫兹极化传感器件。4.提出了一种支持人工局域表面等离激元的闭合型亚波长高对比度光栅结构，从理论和实验两方面验证了该结构可支持人工局域表面等离激元。提出了一种高对比度光栅谐振腔，该腔体具有人工局域表面等离激元的谐振特性。5.利用人工表面等离激元的带隙和缺陷态效应，通过引入单个或者多个缺陷，实现了特定频率的调节。通过在微带人工表面等离激元波导上引入缺陷，将传输的电磁波限制在缺陷处。同时提出了基

6、于人工局域表面等离激元的陷波共面波导和陷波微带线，实验测试结果证实了两种结构在缺陷处可有效激励出局域的人工表面等离激元波，可实现了窄带和宽带的带阻。该理论和相关结构可用于设计带隙滤波器和陷波天线，扩展了人工表面等离激元在微波传输中的应用。6.研究了基于石墨烯等离激元结构对电磁波的调控特性，提出了一种太赫兹频段的基于石墨烯整层的非均匀衬底的新型吸波体模型，实现了电磁波的可调吸收，具有结构简单和方便加载电压等优点。通过分析石墨烯-非均匀衬底结构，提出一种利用等效电路理论进行有效建模的方法，与全波电磁仿真软件相比，该等

7、效方法具有较高的精度和效率，在设计新型石墨烯等离I基于周期结构的表面等离子激元电磁特性及应用研究激元器件上具有巨大的潜力。关键词：周期结构，人工表面等离激元，人工局域表面等离激元，滤波器，石墨烯，吸波体，等效电路模型II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTSurfaceplasmonic(SP)hasuniqueopticalproperties,itcanbreakthroughthelimitoftraditionallightsize,whichhasawiderangeofapplicationi

8、nstoraging,switchingandfiltering.Withthedevelopmentofthenovelartificalelectromagneticmaterials,surfaceplasmonhasbeenextendedfromopticalfrequencytothemicrowaveandterahertzfrequency.Inthisd