基于石墨烯等离激元的人工微结构光学新效应研究

发布时间：2020-03-25 10:00

【摘要】：石墨烯(Graphene)自2004年被发现以来,其新奇的机械、热学和电磁学性能,已吸引了众多研究课题组广泛的研究热情。石墨烯波导、宽带偏振器、石墨烯调制器、石墨烯光电探测器等一大批基于石墨烯新颖光学特性的微纳光电子器件被文献资料大量报道。然而对于单层大片本征石墨烯,其一个碳原子层厚度的光吸收效率只有2.3%,这极大的限制了石墨烯在微纳光子学领域的应用。为了克服石墨烯中光-物质相互作用弱这一固有缺陷,最近,石墨烯等离激元研究飞速发展,在提升石墨烯光-物质相互作用上有了突破。与贵金属等离激元的高热损耗和不可动态调控性相比,石墨烯等离激元的深度亚波长局域性、外加门电压的动态可调谐性和较低的热损耗特性更加吸引着研究者们的关注热情。除此之外,石墨烯等离激元响应在中红外和远红外波段,这同时开启了红外光电探测器、红外增强吸收器等红外光子器件的研究热潮。在本论文中,我们首先详细论述了石墨烯等离激元性质,包括其特殊的色散关系、局域和传播特性、等离激元杂化特性、等离激元寿命和耗散通道。基于石墨烯等离激元人工微结构,堆叠石墨烯纳米带的等离激元共振光谱响应将首先介绍,一种实际有效的动态可重构双频带反射式聚焦透镜被提出。接下来,一种新颖的动态电调控电磁诱导超构材料也被详细研究,超构材料由上层的金开口环阵列和下层的石墨烯方块振子组成。最后,在开口环-石墨烯近场耦合研究的基础上,一种工作在中红外波段动态可调的手性超构材料也被论述。全篇论文主要由以下三部分构成:1、理论上研究了层状堆叠石墨烯纳米带构成的石墨烯超构表面的光学性质和在红外波段潜在的多功能光学器件应用。通过调控石墨烯纳米带宽度,得到了相应的等离激元光谱响应。反射光的相位可以被调整到接近于2π,同时在目标频率保持较高的反射率。利用石墨烯在非等离激元共振时光-物质相互作用较弱这一特性,在堆叠多层石墨烯纳米的同时实现了独立调控每一层微结构的光谱响应。鉴于石墨烯纳米带的层间耦合效应很弱,一个传输线非耦合模型被用来对整个超构表面的物理机理进行解释。模型计算结果和数值计算结果非常吻合。作为一个器件应用案例,能同时工作在25和16 THz的双频带石墨烯超构表面反射式聚焦透镜也被设计和提出。2、设计并提出了一种新颖的石墨烯纳米片和金属开口环阵列构成的杂化超构材料,实现了中红外波段对电磁诱导透明现象进行主动调控的功能。高品质因子的石墨烯共振和较低品质因子的开口环共振发生近场耦合杂化,在光谱较宽的吸收谷中产生了一个狭窄的透射峰,整个结构的相位突变和表面电荷分布对这一现象进行了诠释。狭窄透射峰的属性除了明显依赖于结构的几何尺寸和周围环境的折射率之外,在不改变器件的几何结构的前提下,通过电学调控石墨烯的费米能级可以动态改变器件的光谱响应。3、设计并提出了一种基于石墨烯-金属开口环杂化近场耦合效应的新型手性超构材料。高的二向色性信号响应产生于强的近场耦合产生的电磁诱导透明现象。为了清晰明确的阐述二向色性增强效应背后的物理机理,耦合模式理论被用来分析超构材料的光谱响应,理论计算结果和数值计算结果吻合的非常好。对二向色性效应的主动调控可以通过加入门电压调节石墨烯的费米能级,也可以通过调节几何结构参数和周围介电环境实现。在6到10 μm这一感兴趣的波长范围内,二向色性信号值能够始终保持大于10%。除了较强的调控能力外,获得的二向色性信号值比目前文献中报道的基于纯粹石墨烯构建的手性结构提高了约一个数量级。以上基于石墨烯动态可调等离激元的工作为设计多频带、多功能超构表面、慢光光子器件和可重构手性超构器件提供了一个指导性的设计思路。除此之外,超构材料在电磁诱导透明透射窗口波段内同时具有的低损耗和大的群折射率性质,使得上述工作在光束调控、生物探测、信息传输和信息工程、光学通信工程等领域有着潜在应用。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71

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