复合超材料的单向光传输特性研究

发布时间：2020-07-09 12:16

【摘要】：单向光传输现象因其在光学隔离器、光学二极管、偏振转换和光互联中有着非常重要的应用价值而越来越被人们重视和研究。单向光传输器件是实现光子系统逻辑功能的重要组成元件。实现单向光传输的传统方法往往需要外置磁场偏置,极大地限制了其在器件小型化和集成化趋势中的发展。近年来,基于超材料的单向光传输器件为解决该问题提供了一种全新的设计思路。目前利用静态设计的超材料结构已经实现了宽工作频带和高传输效率的单向光传输。如何实现超材料中单向光传输的频率动态调谐性能是值得研究的科学问题。本文结合基于石墨烯超表面的偏振转换器和亚波长金属光栅,设计了一种新型的频率可调单向光传输的复合超材料,主要的研究成果如下:(1)根据实现单向光传输的物理条件,提出了一种石墨烯-金属复合超材料结构,其具备宽带可调谐的单向光传输新特性。所设计的超材料由双开口谐振环打孔石墨烯阵列和亚波长金属光栅组成。基于高频结构仿真(High Frequency Structure Simulator,HFSS)的数值计算仿真表明,在线偏振光正入射的情况下,论文设计的石墨烯-金属复合超材料在27.1 THz到31.4 THz的频率范围内,正向传输的总透射率保持在0.1以上,最大的传输效率可达18.8%,半峰宽度为4.3 THz,而反向传输被完全阻止。当石墨烯费米能级从0.6到1eV变化时,单向传输的频段移动范围达6.6 THz,展示了良好的频率调谐特性。(2)揭示了所设计石墨烯-金属复合超材料中偏振转换和单向光传输的物理机制。论文计算了入射光正向传输时石墨烯-金属复合超材料激发的三个共振模式的电场分布和表面电流分布。正向传播的线偏振光经过打孔石墨烯时,通过共振相互作用会产生与入射偏振方向不同的极化电流,该极化电流导致了辐射的光偏振方向转动90°,转动后的光偏振方向与金属光栅的透光方向一致,能够顺利透过;而当光传播方向反向时,入射线光偏振方向与金属光栅的透光方向垂直,完全被挡住,导致了单向光传输特性。(3)阐明了影响单向光传输效率的物理因素。除了透射光谱外,论文还计算了反射光谱和吸收光谱,探究了界面反射、材料损耗和石墨烯的电子散射时间等相关物理因素对单向光传输效率的影响。结果表明入射光正向传输时,在主要的工作频率范围内金属的材料吸收可以忽略不计。当石墨烯的电子散射时间小于0.5 ps时,石墨烯的光吸收是制约传输效率的主要因素;而石墨烯的电子散射时间大于0.5 ps时,石墨烯的材料吸收越来越少,此时界面反射为主要损耗。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312;TB33
【图文】：

“鱼鳞”图案的平面手性超材料[32]

不同结构的平面手性超材料

C.Menzel等人设计的三维手性材料[37]

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本文编号：2747440