纳米尺度光场调控：全介质超表面及二维材料极化激元

发布时间：2020-04-16 22:25

【摘要】：纳米光子学器件极大程度依赖于纳米结构共振和材料物理特性,实现纳米尺度的光与物质相互作用:例如,纳米结构通过局域共振将电磁场限域在亚波长空间范围内;表面极化激元利用光子与材料内电子、声子、激子等准粒子耦合激发,可以降低电磁场群速度获得突破衍射极限分辨率,在亚波长尺度实现对光的操控。超表面和表面等离激元学隶属纳米光子学两个主要分支,前者侧重结构设计,后者更多关注材料物理特性,本论文基于前沿的全介质TiO2超表面平台和二维材料范德华(van der Walls,vdW)极化激元平台,分别实现了可见光波段自由空间(Free space)光场调控和新颖的红外波段面内(In plane)vdW极化激元调控。论文主要分为三部分内容:第一部分,基于全介质Ti02超表面结构设计,实现自由空间光波前调控。首先,利用广义斯涅耳定理论述超表面的光场相位调控机制,通过梯度Ti02超表面阵列实现光束异常折射、以及偏振不依赖超透镜等相位调制器件。其次,利用非中心对称Ti02超表面天线获得光场偏振调控,例如nano-brick由于面内各项异性共振表现双折射晶体特性,沿着长轴方向的TM偏振分量和沿着短轴方向的TE偏振分量产生不同的相位延迟,由此成功设计了宽带的1/4波片和半波片,偏振分束器等。最后,提出双折射nano-brick超表面光场相位和偏振同时调控机理,成功实现了多功能偏振分束超透镜,任意的线偏振光或者圆偏振光入射到该器件,偏振分量将会得到分辨聚焦,其中所有TM分量将会聚焦到左侧,而所有TE分量聚焦于右侧,该偏振分束超透镜可以同时代替“分束器+波片+透镜”的三重功能。可见光全介质超表面具有强大的光波前调制能力,同时兼顾按需功能化定制和高传输效率的技术优势,有望实现传统光学元件小型化、多功能集成。第二部分,基于二维材料独特物理特性,实现面内vdW极化激元波前调控。2D材料类型丰富,"all-surface"钝化性质,使得原子层厚度支持高度限域的极化激元,提供可见光到太赫兹光谱范围内新颖的光学操控能力。目前大量研究工作止步于vdW极化激元的静态激发和探测,未来有望通过对其传播操控和调谐实现片上光子回路,例如异常折射、聚焦、开关、拓扑传输等。本论文通过构筑2D/SiC异质结,利用2D和SiC声子激元(Surface Phonon Polariton,SPhP)之间的杂化耦合,可以实现低损耗、高限域的激元波负折射传输,并且无需结构刻饰。例如,1)h-BN-graphene/SiC异质结:h-BN第一"Reststrahlen" 波带内支持负群速度双曲声子激元(Hyperbolic Phonon,Polariton,HP),传输至正群速度的graphene表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP),两类激元波在界面处会发生负折射效应,入射HP和透射SPP在法线同侧传播,并成功实现了面内完美透镜。2)MoS2-graphene/SiC异质结:高折射率的MoS2薄层可翻转SiC声子激元色散模式,获得负群速度d-SPhP,该模式传输至带正群速度graphene SPP时,同样可以在界面处实现负折射传输。由于2D激元波的高度限域能力,两类完美透镜具有深亚波长的分辨率(FWHM1/80λ0),此外可通过改变graphene费米能级实现完美透镜焦距和分辨率的动态调谐。3)我们提出基于负折射的面内极化激元相位调控方法:构造h-BN-graphene异质结负折射弯曲界面,界面两侧正负极化激元等效折射率绝对值相同(|±neff|)保证动量匹配传输;正负极化激元等效折射率符号相反(±)获得相位调控,实现波前整形。仿真结果表明,可以在300nm的传播距离内实现面内聚焦或发散透镜功能;此外,通过改变石墨烯的费米能级,可以实现聚焦透镜分辨率从50nm到180nm的动态调谐,该分辨率范围远小于中红外自由空间波长。除了极化激元透镜,按照相位调制原理精心设计异质结界面几何形状,可以实现极化激元波前的任意操控。第三部分,在充分掌握超表面结构设计和2D材料光学特性的基础之上,我们开始对多层TMDs材料做结构设计,实现新颖的局域极化激元操控。TMDs材料除了具有丰富的物理特性(激子,自旋,能谷等),同时还表现出极高的光学折射率,对于纳米光子学具有重要研究价值,可以实现亚波长结构共振。例如,我们提出graphene/MoS2-grating/SiC异质结,其中高折射率MoS2(n-4)光栅可以直接激发SiC的局域表面声子激元共振(d-LSPhR),d-LSPhR与graphene SPP耦合产生杂化LSPh-SPR模式,该模式保持了低损耗声子的高品质因数(Q-85),同时继承了 graphene的电调谐特性,通过改变石墨烯费米能级,可以实现红外光调制器,调制深度大于95%。此外,可见光波段WS2(n-4.5)纳米光栅本身可以产生米氏共振,共振光子与WSe2激子耦合可以激发激子激元,具有明显的拉比分裂。超表面设计与新材料结合、新效应的探索以及新应用的开发将是纳米光子学重要研究趋势,本论文首次将超表面和二维材料极化激元两者放在一起讨论,希望通过超表面结构设计,以及二维材料的新颖材料特性,为纳米光子学开辟一条“材料+结构”相结合的全新道路,通过新颖的光与物质相互作用实现纳米尺度光场调控。目前仅探索性的利用二维TMDs光栅实现米氏共振,未来有望在TMDs薄层上设计更为复杂的梯度超表面器件。此外,TMDs的能谷特性和光的圆偏振相关,有望直接通过TMDs几何相位超表面实现圆偏振光操控,从而实现能谷激子的调控。
【图文】：

表面等离激元,光子学,光子晶体,纳米

图１．１纳米光子学简要介绍：（ａ）光子晶体，（ｂ）表面等离激元，（ｃ）超材料。逡逑部分图片摘自文献｜２’７’８’Ｕ’１Ｍ７１逡逑当前以金属Ｐｌａｓｍｏｎ为基础的ＳＰＰ器件主要面临两大技术瓶颈，一是金属共振导逡逑致ＳＰＰ的固有光损耗较高，且寿命较短约为１０飞秒［１８］，传输效率很低，传播长度很逡逑短；二是ＳＰＰ的波长压缩能力有限（ｙ？＝Ａ／知＜４），因此很难实现高度局域的深亚波长逡逑功能器件。目前科研工作者在寻找新材料替代金属ＳＰＰ做了大量工作，并且取得了一逡逑

结构尺寸,工作频率,切伦科夫辐射,阵列

射［２８］、逆切伦科夫辐射［１５］、逆多普勒效应等［５（）］。直到九十年代末（１９９６－１９９９年），逡逑英国科学家？Ｉ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ等提出分别用金属细线阵列作为稀化的金属等离子体和开口谐逡逑振环结构分别实现了负的介电常数和磁导率［５Ｍ３］，如图１．２所示。２０００－２００４年，美国逡逑科学家Ｄ．Ｒ．邋Ｓｍｉｔｈ等第一次在实验上用印刷电路板工艺，将金属线阵列和开口谐振环逡逑组合起来，在ＧＨｚ波段第一次在实验上获得左手材料［５＾５６］。逡逑Ｆ．邋Ｗａｎｇ，邋Ｎａｔ．邋Ｎａｎｏｔｅｃｈ邋２０１１逡逑ｉｉｔＢＳ逡逑Ｘ．Ｚｈａｎｇ）邋ｓｃｉｅｎｃｅ邋２００８逡逑Ｊ．Ｐｅｎｄｒｙ，逦ｆＳＢｌ逦Ｖ－Ｓｈａｌａｅｖ逡逑ＰＲＬ１９９６逦Ｎａｔｕｒｅ邋２０１０逡逑Ｓ．邋Ｚｈａｎｇ，邋ＰＲＬ邋２００９逡逑＾逦Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ邋，邋Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ逦ｉ邋Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋ｉ邋Ｖｉｓｉｂｌｅ邋ｋ逡逑图１．２超材料发展趋势，结构尺寸减小，，工作频率升高。逡逑随着纳米技术和纳米加工的进步
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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