基于表面等离激元的光学调控研究

发布时间：2020-04-27 23:15

【摘要】：表面等离激元是光与物质相互作用产生的一种表面电磁模式,基于表面等离激元的共振结构可以将电磁场局域在亚波长尺度内,因此在信息传输、光学传感、光电探测、显示等领域被广泛研究和应用。基于表面等离激元的超材料结构可以实现电磁波的振幅、相位、偏振等特性的调控。本论文主要通过将表面等离激元共振应用于波导结构、金属介质光栅结构、电磁诱导透明结构和偏振转换结构来实现对电磁波的调控。我们首先研究了基于波导结构的电磁波的调控,设计了一种基于金属-介质-金属波导耦合共振腔的的表面等离激元共振结构,实现了近红外波段的高性能带阻滤波和光学传感。该结构通过将矩形共振腔与圆形共振腔耦合得到复合腔,并与波导耦合,实现了比单腔更好的透射性能。通过改变环境的折射率,我们研究了复合腔的传感性能,得到了在共振波长1148.5 nm处有1136 nm/RIU的传感灵敏度和高达51275的品质因数。通过改变共振结构的几何参数,可以对其共振波长进行调谐。在电磁吸收器方面,我们基于超材料电磁完美吸收器的基本原理设计了基于金属-介质-金属结构的完美吸收器,对该吸收器的吸收机制进行了详细分析,研究了吸收器在吸收峰处的场分布,通过改变吸收器的结构参数,研究了金属线宽度、金属线高度、介质层厚度、周期对吸收器吸收特性的影响。结果表明吸收器在不同的金属线宽度条件下呈现出不同的吸收特性,小占空比和大占空比条件下的吸收机制也不相同,小占空比时的吸收主要是金属线与金属膜之间的耦合作用,而大占空比时则主要是空气腔的FP共振效应。同时,为了实现极窄带完美吸收器,我们设计了基于双层金属介质结构的完美吸收器,该吸收器实现了近红外波段0.85 nm带宽的完美吸收,极大地压窄了谱线带宽,我们探讨了该窄带吸收器的吸收机制,并研究了其传感性能。在过去,金属材料是实现等离激元共振结构的主要材料,但是要对金属材料进行动态调控时,就不得不改变结构的几何参数或引入其他主动控制材料,这限制了其应用。石墨烯由于其在太赫兹到红外波段的动态调谐特性,成为表面等离激元结构主动控制的理想材料。为了实现对电磁波的动态调控,我们设计了基于石墨烯超材料的表面等离激元共振结构。我们设计了基于石墨烯超材料的电磁诱导透明结构,该结构基于石墨烯条形结构和开口环结构。分析了条形结构和开口环结构的光学特性,研究了结构参数对其光学特性的影响。条形结构的共振频率随着其长度的增加而减小,共振频率随着其宽度的增加而增加,而开口环结构的共振频率随着其臂长、臂间距的增加而减小,随着其宽度的增加而增加。接着我们设计了电磁诱导透明结构,在4.23 THz附近产生了一个透明窗口,该结构利用条形结构产生的亮模和开口环结构产生的暗模干涉相消,实现电磁诱导透明。利用耦合模式理论拟合了该结构的传输特性,结果表明是近场耦合将条形结构中的能量传递到开口环结构中。最后我们分析了该结构的调谐特性,改变石墨烯费米能级可以有效改变该结构的透明窗口,在透明窗口处可以对入射光产生皮秒级的群延迟。当前,基于人工电磁超材料的偏振调控与转换器件已经取得了一定的成果,但是还是存在一些问题,首先是偏振转换效率与转换带宽还有待提升,扩展带宽往往是通过多层结构或者多个子单元结构组合而成,结构复杂;其次是基于金属材料的偏振转换器不易调谐,结构一旦设计完成,其工作频率就已经确定。针对以上问题,我们提出了基于石墨烯超材料的偏振转换结构,提高转换效率的同时可以实现动态调谐。我们对该结构的偏振转换机制进行了分析,该结构基于交叉矩形石墨烯结构实现了从频率6.68 THz到8.66 THz范围内转换效率大于95%的偏振转换。通过改变偏振转换器的矩形结构的长度,可以将宽带转换变成双带转换;改变介质层厚度会改变偏振转换器的转换效率;改变石墨烯的费米能级时,可以实现偏振转换器在4.5 THz到10.5 THz的动态调谐;偏振转换器在入射角从0度增加到40度时保持着极高的转换效率,具有较强的适应性;改变结构周期可以使该偏振转换器结构工作在不同频带,其转换效率保持高效且转换带宽保持宽带,这说明该结构设计可以在不同的工作频率实现宽带高效率偏振转换。本论文中,我们利用表面等离激元共振的基本原理,分别设计了基于金属材料和石墨烯的光学调控结构,实现了电磁波的振幅、偏振、传输延迟等特性的调控,这些共振结构可以在光学传感、显示、信息传输等方面得到应用。
【图文】：

图 1-1 金属-介质界面上传输的 SPP[1]区域的介质材料相对介电常数为d ， z 0的区域的于时谐场，当 TM 偏振的电磁波入射到介质材料与金组， z 0的金属区域电磁场可以表示为：11( ) i x k zyH z A e 11 101( )i x k zxmE z iA k e 110( )i x k zzmE z A e 电磁场可以表示为：22( )i x k zyH z A e 22 201( )i x k zxdE z iA k e

科 技 大 学 博 士 学 位1 2A A,12mdkkk k 得到金属与介质界面上的 SPP 的色散关系0m dm dk 真空中的波矢。图 1-2 为金属-介质界面上属与介质界面的波矢量大于相同频率下的入电磁波直接照射到金属表面时不能激发 SP激发 SPP。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN25

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本文编号：2642762