基于hBN材料的宽带中红外线吸收器的仿真研究

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近年来,电磁波吸收器的发展得到了长足的进步。其产生吸收的原因基本是由各种形式的共振所导致的:表面等离子体共振、磁激元共振以及法布里-珀罗谐振腔共振等等。只要所入射的电磁波满足共振匹配条件,吸收器就能够实现强烈吸收效果。磁激元共振是一种常见的共振效应:主要是针对于金属(类金属)/电介质/金属(类金属)三层结构(MIM)的电磁波吸收器来讲的。对于这种结构,中间的电介质层往往需要具有正的介电常数,而顶层和底层的金属(类金属)层则需要在特定的波段具有负的介电常数,这样就能够激发磁激元。当入射的电磁波满足共振的匹配条件时就能够在共振波长处产生强烈的吸收效果。在25~5.2?m的中红外波段,hBN材料可以在特定的波段内表现出类金属效应,因此具有很高的应用价值。在本文的开始部分,我们介绍了一些基础的理论知识:表面等离子体效应以及磁激元共振效应。接下来我们介绍了当前电磁波吸收器的发展现状,为接下来的研究工作做好准备。然后我们详细说明了本文所使用的数值模拟方法,并且依据理论知识设计了两种基于hBN材料的中红外线电磁波吸收器。同时我们也对所采用材料(hBN、Ag)的基本特性进行了相应的介绍。对于所设计的两种中红外线吸收器所表现出的吸收特性结合场分布做了详细的解释说明,并且研究了所设计吸收器的吸收特性和结构参数之间的关系,以便得到最优化的结构参数。具体的工作如下:(1)设计了一种基于六边形氮化硼材料的锥形中红外线吸收器。这是一种光栅型的吸收器,其吸收机制是磁激元共振效应和法布里-珀罗谐振腔共振效应。运用有限元算法分析了该吸收器的结构参数、工作波长及入射角度对其吸收性能的影响。结果表明:在最佳的结构参数条件下,在入射波长为5.6~14.5微米和入射角度为0~75度的范围内,该吸收器的吸收率可以达到80%甚至更高。(2)设计了一种涂覆六边形氮化硼材料的多凹槽型中红外线吸收器。这同样是一种光栅型的吸收器。该吸收器的吸收特性是由表面等离子共振效应和电介质腔共振效应共同作用引起的。运用有限元算法研究了该吸收器的结构参数、工作波长及入射角度对其吸收性能的影响。结果表明:在最佳的结构参数条件下,在5.5~15微米的波长范围和在0~75度的入射角范围内,该吸收器的吸收率可以达到90%,并且极大的拓宽了吸收器的吸收带宽。本文的研究在一定程度上为中红外线吸收器的设计和运用做好了铺垫。
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