石墨烯-电介质复合非厄米系统中的古斯-汉森位移和光学双稳态

发布时间：2020-04-14 15:12

【摘要】：古斯-汉森位移(Goos-H?nchen shift:GH shift)和光学双稳态(optical bistability)是光学研究领域的两个重要课题,对光开关、光存储和高灵敏度传感器等光学器件的设计和制备具有积极意义。古斯-汉森位移是反射光束相对于几何光学预测位置的横向位移和角度偏转;光学双稳态是指光学系统传输特性依赖于输入光强的一种非线性现象,同一输入光强对应着两个稳定的共振态输出。如何设计和寻找合适的结构或材料来增大古斯-汉森位移,降低光学双稳态产生的阈值,是目前需要考虑的关键问题。参照固体的晶格结构,人们提出了光子晶体的概念,为解决上述问题提供了新的途径。在光子晶体的带隙边缘,存在较大的古斯-汉森位移,而利用缺陷光子晶体的光场局域性可以有效降低双稳态的阈值。另一方面,石墨烯作为一种新兴的二维材料,具有独特的电学、力学和光学等性质。在太赫兹波段,石墨烯的光学响应不仅速度快,电导率可调,还具有显著的非线性效应,也为研究古斯-汉森位移和双稳态提供了新的契机。在传统的光子晶体设计中,人们只考虑了折射率的实部,忽略了虚部的影响。基于非厄米光学的设计理念,同时考虑折射率实部和虚部,发现了许多奇特的光学现象,为调控光子传输提供了新的手段。因此,我们将石墨烯和多层电介质复合而成非厄米光子系统,研究其中独特的古斯-汉森位移和双稳态性质。研究表明,在非厄米奇异点(exceptional point:EP)附近,反射系数相位发生突变,导致极大的古斯-汉森位移;当非厄米系统满足宇称-时间对称性(parity-time symmetry:PT symmetry)时,改变系统的增益-损耗因子,光场局域性和非线性效应显著增强,有效降低了光学双稳态产生的阈值。另外,古斯-汉森位移和光学双稳特性还可以通过石墨烯的化学势而灵活调控。本文的研究内容包括以下四个方面:(1)研究了石墨烯-电介质复合非厄米系统中的古斯-汉森位移。电介质含有增益和损耗。将石墨烯置于复合结构的中心,以此来增强石墨烯与光场之间的耦合。入射光分别从两个相反的方向入射到该系统,得到的反射率不尽相同,在参数空间中可以获得两个EP,分别对应着不同方向入射时反射率的零点。反射系数在EP会出现±π相位差。同时,散射矩阵的本征矢量在EP处发生简并。在EP点附近,改变入射角大小,散射矩阵的两个本征值虚部对应的曲线会发生交叉,而实部对应的曲线会发生反交叉(anti-crossing)现象。在EP附近,反射光束的古斯-汉森位移有正,也有负。当无限接近EP时,古斯-汉森位移出现极值,表明EP是古斯-汉森位移的奇点。另外,EP的位置和古斯-汉森位移可以通过调节石墨烯的化学势进行控制。(2)研究了PT和近PT对称非厄米系统中的古斯-汉森位移。调制电介质的折射率,使其空间分布满足PT对称性。在由入射角和增益-损耗因子组成的参数空间中,存在EP分裂的现象,并出现相干完美吸收-激光点(coherent perfectabsorption laser point:CPA-laser point)。在EP和CPA激光点,光场的能量主要分布在结构的中心。在EP附近,反射光束的古斯-汉森位移约为几十个波长。调节中间层的电介质折射率,使折射率接近PT对称,参数空间中会出现孤立的EP。在孤立的EP和CPA激光点附近,古斯-汉森位移趋于无穷大,因此,该孤立的EP和CPA激光点是古斯-汉森位移的奇点。(3)将石墨烯阵列与光子晶体微腔构成复合结构,实现低阈值的可调光学双稳态。电介质交替排列形成带缺陷的光子晶体,把石墨烯嵌在两种不同介质的分界面上和缺陷层的中心。此结构可看成是由布拉格光栅构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔,其中布拉格光栅是谐振腔的反射镜,而缺陷层是腔体。缺陷模的光场局域性可以增强石墨烯的非线性效应,从而实现低阈值的光学双稳态。另外,光学双稳态的阈值和阈值间隔可以通过石墨烯的化学势和布拉格周期数来调节。该器件可应用于低能耗全光开关和光存储器。(4)为进一步降低光学双稳态阈值,在电介质结构中引入石墨烯,构建PT对称非厄米光学系统。同时调制电介质的折射率实部和虚部,使其满足PT对称性。缺陷模的光场被局域在结构的中心,而石墨烯位于光场极值处,其非线性效应得到极大地增强,从而实现低阈值的光学双稳态。当电介质的增益-损耗因子增大时,光场局域性进一步增强。同时,EP开始分裂,使得双稳态阈值进一步降低,而上、下阈值间隔进一步增大。另外,改变入射波长和石墨烯的化学势,可实现双稳态和非双稳态之间的相变。
【图文】：

图 1-1 非厄米性质及 PT 对称性。哈密顿本征值实部(a)和虚部(b)形成的黎曼面。(c)哈密顿量本征值虚部随增益/耦合比的变化。(d)光势及其在 PT 对称耦合波导结构图[115]。耦合波导中 PT 对称（左）和 PT 破缺超模（右）数字计算(e)和实验验证(f)[108]。系统中的 PT 对称可以通过同时调控结构中的增益和损耗来实现。几何形状完全一样的耦合波导构成 PT 对称系统，，其中一根波导里外一根波导里面存在损耗，如图 1-1(d)所示。两个波导中的耦合超2 20 g ，其中0 是空波导（无增益/损耗和耦合）传播常子体系，光学 PT 对称系统也有两个不同的相： g和 g。前哈密顿量具有实本征值（传播常数）和本征态（波导超模）；后者相，具有复共轭传播常数。两个态的相变发生在 g，这对应着P[115]。

7图 1-2 PT 对称光学及其性质。(a)PT 对称布拉格散射器中的单向隐身[24]。(b)无源周期波导中的单向无反射[116]。(c)PT 对称时域晶格中的单向隐身[117]。(d) PT 对称对称阵列中的拓扑保护边界态[118]。(e)无源多层结构中的单向反射[20]。(f) PT 对称晶格中的 EP 分裂[29]。冯亮等人还设计了多层有损耗介质结构[20]，如图 1-2(e)所示，在该结构的设计中前向的反射系数为零，而后向的不为零，因此导致了单向无反射传输现象。Zhu 等在 PT 对称多层介质结构中发现 EP 分裂和光强局域增强的现象[29]，如图 1-2(f)所示此 PT 对称多层电介质结构可以被看作是二端口系统。入射波和散射波的振幅可以过散射矩阵 S 联系起来，如下所示1 2 2 22 1 1 1b a t r aSb a r t a （1-
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43;TB33;O734

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 叶琳;;石墨烯产业前沿技术发展方向研究[J];新材料产业;2019年09期

2 ;半导体所等在多层石墨烯物理性质研究方面取得新进展[J];中国粉体工业;2012年02期

3 ;美利用电子成像技术分析石墨烯[J];中国粉体工业;2012年06期

4 ;全球首条石墨烯生产线明年8月投产 潜力巨大[J];中国粉体工业;2012年06期

5 ;天奈科技开发出碳纳米管与石墨烯复合锂电池助导剂[J];中国粉体工业;2016年03期

6 ;广西大学破解石墨烯制备难题 可大批量生产粉体材料[J];中国粉体工业;2016年03期

7 ;新的视觉体验 变色石墨烯泡沫创建“机械像素”[J];中国粉体工业;2016年06期

8 ;不完美石墨烯的“华丽蜕变”[J];中国粉体工业;2016年06期

9 ;石墨烯改变未来有望从这五大领域开始[J];中国粉体工业;2016年06期

10 ;德阳将打造“中国西部石墨烯产业先导基地”[J];中国粉体工业;2016年03期

相关会议论文 前10条

1 靳磊;于庆河;刘皓;张铭;刘凯歌;李凯;;石墨烯分散及其对防腐性能影响规律研究[A];第十届全国腐蚀大会摘要集[C];2019年

2 王庆国;张炜;王凯;王莎莎;;石墨烯在汽车领域的应用展望[A];第十八届中国科协年会——分2 中国新能源汽车产业创新发展论坛论文集[C];2016年

3 刘东;李丽波;由天艳;;电化学制备氮掺杂石墨烯及其在催化氧气还原反应中的应用[A];第十三届全国电分析化学学术会议会议论文摘要集[C];2017年

4 王莹;刘子顺;;通过缺陷设计实现石墨烯的自发卷起和组装[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（上）[C];2018年

5 郑龙;许宗超;张立群;温世鹏;刘力;;石墨烯/橡胶纳米复合材料的基础研究以及工业化应用[A];第十四届中国橡胶基础研究研讨会会议摘要集[C];2018年

6 邢瑞光;李亚男;张邦文;;功能化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备及介电性能研究[A];2019年第四届全国新能源与化工新材料学术会议暨全国能量转换与存储材料学术研讨会摘要集[C];2019年

7 高超;方波;;石墨烯宏观组装及多功能复合材料[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

8 李永军;杨阳;戴静;黄晓宇;;功能化石墨烯、氟化石墨烯及石墨烷的制备[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题O：共价骨架高分子与二维高分子[C];2017年

9 梁秀敏;江雷;程群峰;;仿生石墨烯纤维研究进展[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

10 方浩明;白树林;;三维石墨烯填充高导热弹性体[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题M：高分子共混与复合体系[C];2017年

相关重要报纸文章 前10条

1 艾班;石墨烯生物材料制备成功[N];中国化工报;2014年

2 柯伟;石墨烯基础应用研究获新进展[N];科学时报;2011年

3 记者 姜小毛;首个纯石墨烯粉末产品诞生[N];中国化工报;2013年

4 刘平昌 唐娟;国内首条石墨烯薄膜生产线投产[N];中国化工报;2013年

5 记者 李东周;石墨烯产业技术创新联盟成立[N];中国化工报;2013年

6 特约记者 姚耀富;江苏成立石墨烯产业创新联盟[N];中国化工报;2013年

7 朱永康;全球石墨烯市场高速增长[N];中国化工报;2013年

8 记者 李东周 通讯员 张华生;全球最大规模石墨烯生产线投产[N];中国化工报;2014年

9 郭桦;爱尔兰开发石墨烯生产新方法[N];中国化工报;2014年

10 一凡;石墨烯时代不再遥远[N];中国化工报;2014年

相关博士学位论文 前10条

1 周朝彪;全介质微纳结构中Fano共振现象及其应用研究[D];华中科技大学;2019年

2 赵东;石墨烯-电介质复合非厄米系统中的古斯-汉森位移和光学双稳态[D];华中科技大学;2019年

3 李茂源;石墨烯/环氧树脂复合材料的力学与热学性能模拟[D];华中科技大学;2019年

4 赵宁;石墨烯场发射阴极的设计、制备及电子发射性能研究[D];东南大学;2018年

5 魏飘飘;剥离石墨烯的制备、电化学性能调控及传感应用研究[D];华中科技大学;2019年

6 何熠;氧化石墨烯装载抗癌药的结构设计与释药性能调控[D];东南大学;2018年

7 万树;石墨烯表面结构的调控及其在传感器件中的应用[D];东南大学;2018年

8 孙璐;石墨烯等几种典型光电子材料/结构的光电调控机理的研究[D];上海交通大学;2016年

9 董新伟;氮掺杂多孔石墨烯材料的制备及储能应用[D];上海交通大学;2016年

10 吴欣凯;溶液法透明导电薄膜的研究及其在有机发光二极管的应用[D];上海交通大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 游r

本文编号：2627430