基于复合光栅和梯度超表面的多功能器件设计

设计了一种金属/介质/金属复合光栅与梯度超表面相结合的多功能器件。通过复合光栅的非对称结构实现光的非对称传输,当调制后的波矢量与表面等离极化激元的波矢量相匹配时,金属光栅激发的表面等离极化激元产生单波段光传输;通过梯度超表面实现光的异常反射。当x偏振态光波入射时,不同入射方向可在不同波段激发表面等离极化激元,由于上下光栅的不同周期和非对称的介质环境,光栅可分别在1128 nm和1550 nm处实现高透射率;另外在反向入射方向,该器件在1300~1400 nm整个波段表现为零吸收,反射率大于90%,可作为反射器。当y偏振态光波入射时,在反向入射方向器件通过相位梯度超表面实现异常反射。该结构可为各种偏振相关的多功能器件和集成光学元件提供参考。

基于VO_(2)的超表面双气体传感器设计

针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题,基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒(VO_(2))的相变特性,设计了一种基于VO_(2)的超表面双气体传感器。该传感器结构由上下三层组成,表面由多层金属-介电-金属(MDM)结构组成。根据VO_(2)的相变特点,通过改变施加的偏置电压,以电阻加热的形式加热金属板,精细控制VO_(2)的温度,通过改变VO_(2)的电导率来模拟VO_(2)的不同状态。当VO_(2)呈高温金属态时,上三层形成MDM结构,VO_(2)表现出金属性质,并在1721.3 nm激发局域表面等离子体共振(LSPR),实现甲烷检测,传感器的吸收率为94.3%,甲烷灵敏度为4.21 nm/%。当VO_(2)呈低温绝缘态时,下三层形成MDM结构,在2694.6 nm激发LSPR,实现氢气检测,传感器的吸收率为95.9%,氢气灵敏度为2.10 nm/%。当环境折射率发生变化时,VO_(2)在2种状态下的吸收峰均发生了红移,且呈线性关系,可以用来检测环境折射率的变化。为验证该传感器的可行性,对6种不同体积分数的甲烷、氢气和4种不同的环境折射率进行了仿真和分析,结果表明:基于VO_(2)的超表面双气体传感器可有效检测出较低浓度的甲烷和氢气,且灵敏度较现有的气体传感器有较大提升;谐振峰偏移量与环境折射率变化量和甲烷体积分数变化量的计算值和理论值误差很小,说明该传感器具有很高的准确性;通过分析环境折射率和谐振波长的关系,得出该传感器对环境折射率的变化同样具有较高的检测灵敏度。

基于电磁诱导透明的双控多功能超表面

提出了一种基于电磁诱导透明(EIT)的多功能偏振无关超表面,其基础结构由1个金属十字结构和4个方环结构组成,并引入了可调控材料硅(Si)以及二氧化钒(VO2),以实现温光双控。利用模拟计算和理论模型分析得到了基础结构作为双明模间接耦合形成EIT透明窗口的结论。由于EIT以及可调控材料的特性,本设计可以在分子传感、可控慢光以及双通道温光双控开关等领域实现应用,并且具有优异的性能。该结构对蔗糖溶液的传感灵敏度为97.6 GHz/(kg/m3),在分子检测领域展示出了巨大潜力。该结构实现了对慢光效应的可选择控制。依据EIT的作用机理,提出了利用可调控材料改变结构谐振进而控制电磁响应的设计思路,并实现了一种双通道温光双控开关,为今后的EIT超表面设计提供了参考。

基于空间编码结构光源的2 bit光控可编程太赫兹超表面

设计了一种可由空间编码结构光控制的多功能太赫兹超表面单元,该单元由嵌有光敏半导体材料的金属裂环-二氧化硅介质层-金属底板组成。超表面单元通过结构光源的编码控制光改变单元顶层金属裂环内嵌光敏半导体的电导率来模拟不同形状的C形环,实现了具有2 bit相位编码的光控超表面单元设计。将超表面单元组成阵列,通过编码结构光的空间分布进一步实现了角度可控的异常反射,并获得不同阶数的涡旋波束。所提出的基于空间编码结构光源的新型太赫兹超表面光控方式解决了现有光控超表面功能单一、加工难度大等问题,为光控可编程太赫兹超表面技术发展提供了新的思路。