基于二维材料等离激元的传播和散射理论
发布时间：2020-11-18 07:04
等离激元是一种由电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的、传播于金属-电介质表面的表面波。由于金属纳米结构的独特光学性质,等离激元可在亚波长尺度内对光进行操控。基于等离激元,人们有望设计出高速、小型化、集成化的等离激元芯片,从而用于下一代信息技术。本文首先对等离激元进行简单介绍,主要关注艾里等离激元、超散射、非线性等离激元这三个典型概念。对于艾里等离激元,传统等离激元模式通常不具有可调性,使得艾里等离激元的传播轨迹不具有动态可操控性。对于超散射,传统等离激元模式的束缚性较弱,无法利用等离激元共振来增强深亚波长物体的散射截面。对于非线性等离激元,由于电介质的非线性极化率较小,传统的基于非线性电介质的非线性等离激元器件往往需要较高的输入功率。针对艾里等离激元缺乏动态可操控性、深亚波长超散射器难以设计、非线性等离激元器件的输入功率过高这三个科学问题,本文引入新型二维材料石墨烯。一方面利用石墨烯的线性和(或)非线性表面电导率,建立了基于石墨烯等离激元的线性传播理论、非线性传播理论、线性散射理论、非线性散射理论,对基于传统等离激元的传播和散射理论进行了扩展或修正。另一方面,针对一些典型的、解析可解的电磁结构,利用石墨烯等离激元的独特性质给以上三个科学问题的解决提供了一些思路。主要内容包括以下几个方面:1.建立了基于石墨烯等离激元的线性传播理论。首先利用线性传播模型研究了平板杂化等离激元波导中的杂化模式。然后针对艾里等离激元缺乏动态可操控性这一问题,展示了具有动态可操控轨迹的杂化艾里等离激元。2.建立了基于石墨烯等离激元的非线性传播理论。利用非线性传播模型,针对非线性等离激元器件的输入功率过高这一问题,研究了在低输入功率下,柱形非线性石墨烯等离激元波导中的等离激元模式和色散关系。3.建立了基于石墨烯等离激元的线性散射理论。首先针对深亚波长超散射器难以设计这一问题,以二维柱形结构为例,利用石墨烯等离激元共振提出了实现深亚波长超散射的方法。然后将石墨烯等离激元共振推广到三维球形结构。最后基于共振叠加的原理进一步提高超散射器的性能,并分析了限制性能提高的因素。4.建立了基于石墨烯等离激元的非线性散射理论。利用非线性散射模型,针对非线性等离激元器件的输入功率过高这一问题,研究了低入射强度下的双稳散射现象。另外发现双稳散射的开关阈值受限于石墨烯中载流子的弛豫时间。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;O441
【部分图文】：
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?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根据方程（１－３），可明显看到｜別２在传播方向上不发散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如图１－２所示。??随后，根据量子力学中薛定谔方程与经典光学中傍轴波方程间的类比，艾里光束的概??念从量子力学扩展到了经典光学［１３，１４］。平板光束的电场包络的传播动力学可用如下形式的??１＋１维傍轴波方程来描述??，〇４＞?１?ｄ２（ｊ）?ｎ??ｉ—?ｈ???＝?〇?（１－５）??处?２?？９ｓ２?，?Ｕ?；??其中ｓ?＝?ｘ／ｘ０代表无量纲的横向坐标，；ｒ〇是任意横向尺度，＃牐剑壥枪橐换?拇?ィ崳?距离，ｆｃｚＳＴｒｎ／Ａｏ是光波的波数。在系统输入￥?＝?〇处，有限能量的艾里光束为??＝?０）?＝?Ａｉ?（ｓ）?ｅｘｐ?（ａｓ），?（１－６）??其中正值的衰减因子ａ用来截断负无穷处的场振幅
ｓ?ｓ??图１－３在＜?＝０处有限能量艾里光束的（ａ）归一化场分布和（ｂ）归一化强度分布，其中ａ?＝??０．１?間。??或者，也可以利用艾里函数的积分表达式将解（１－３）用平面波展开为??＾２／３?ｒ＋〇〇?ｈｋ２ｔ，ｎ２ｋ３＇］??＾｛Ｘ）ｔ）?＝?／?ｄｋｅｉｋｘ￣＾＋＾）．?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根据方程（１－３），可明显看到｜別２在传播方向上不发散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如图１－２所示。??随后，根据量子力学中薛定谔方程与经典光学中傍轴波方程间的类比，艾里光束的概??念从量子力学扩展到了经典光学［１３，１４］。平板光束的电场包络的传播动力学可用如下形式的??１＋１维傍轴波方程来描述??
【参考文献】
本文编号：2888452
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;O441
【部分图文】：
—?Ａ?Ａ?Ａ?Ａ??Ｍｅｔａｌ??图１－１表面等离激元示意图％。??Ａｔ！（ｘ）??八??ａａａＡＡＡ／?ｖ?．??图１－２当Ｂ／矽３?＝?１时，艾里波包的概率密度［１２】。??场分量，表面等离激元是一种横磁（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｉｃ，?ＴＭ）波。另外，作为一种表面波，??电磁场强度在界面处最强，远离界面时以指数衰减。由于在垂直界面方向上，模场尺寸可??明显小于光波长，等离激元学兼具电子技术和光子技术的优势，有望实现高速、小型化、??集成化的等离激元芯片［｜１］。??下面将介绍等离激元学中的三个典型概念：艾里等离激元、超散射、非线性等离激??元，并指出它们的发展所分别面临的科学难题。本论文的研究内容将主要围绕这几个概念??展开。??１．２．１艾里等离激元??艾里光束（Ａｉｒｙ?ｂｅａｍ）的概念最早起源于量子力学。在量子力学中，质量为ｍ的粒??子所满足的薛定谭方程（Ｓｃｈｒｂｄｉｎｇｅｒ?ｅｑｕａｔｉｏｎ）为??ｈ２?ｄ２＾?．ｈｄ＾ｐ?？?，，??￣２＾ｄ＾?＝?ｌｈ￣ｄｉ＇?（１４）??令ｔ?＝?０时的波包为??作
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【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 XU Su;WANG Yong;ZHANG BaiLe;CHEN HongSheng;;Invisibility cloaks from forward design to inverse design[J];Science China(Information Sciences);2013年12期
本文编号：2888452
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