法布里-珀罗谐振腔中石墨烯的等离激元光学性质

发布时间：2021-07-20 18:38

　　在法布里-珀罗谐振腔内可以实现电磁波和石墨烯中等离激元的耦合并形成等离极化激元.利用麦克斯韦方程结合边界条件得到了谐振腔中的电磁模式,研究了处于谐振腔中的石墨烯对腔模电磁波的影响,发现在太赫兹频段内,石墨烯的存在对腔模的影响较小.同时,利用麦克斯韦方程得到了谐振腔中石墨烯等离极化激元模式,发现谐振腔中石墨烯等离极化激元模式只能在谐振腔内以相对较大的波矢q存在. 

【文章来源】：山西师范大学学报(自然科学版). 2020,34(02)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

装置示意图:放在衬底Si O2上的石墨烯系统处于法布里-珀罗谐振腔中．谐振腔的长度为L,PL和Po L分别表示石墨烯中的等离激元和耦合形成的等离极化激元模式

众所周知，在石墨烯中由于杂质和声子散射导致的电子的室温动量弛豫时间是τ=0.1 ps[23]．同样τ也和石墨烯的电子密度有关[24]．在图2中，我们给出了固定腔长下，腔内存在石墨烯层和不存在石墨烯层时的基态腔模的色散关系．q和kx分别是石墨烯中等离激元的波矢和入射光在石墨烯平面内的波矢．从图中可以看到:(1)低频腔模受石墨烯层的影响相对较大，而较高频率的腔模受石墨烯的影响较小．(2)随着石墨烯中电子弛豫时间的增加，石墨烯层对低频腔模的影响变大．(3)总体来看，在太赫兹频段内，石墨烯的存在对腔模的影响较小．(4)相同电子密度的情况下，无规项近似下(RPA)得到的等离激元色散关系曲线可以和在非高频近似的情况下得到的腔模色散曲线相交，因此两者可以在石墨烯平面内发生耦合．(5)图2中短-点-点虚线对应方程(9)的高频极限结果．即当ωτ>>1时，方程(9)中的光电导率σ(ω)取为图3 实线:自由光子的色散关系曲线ω=cq．短、点、短-点虚线分别是τ>>1 ps，τ=1 ps和τ=0.5 ps时石墨烯等离极化激元模式的色散关系．

图2 ωp是无规项近似下(RPA)石墨烯中等离激元的色散曲线．基态腔模的色散关系:实线对应腔内不存在石墨烯的情况(方程(5)的结果);其他线对应腔内存在石墨烯的情况(方程(9)的结果)，其中短-点-点虚线为方程(9)(ωτ>>1)取高频近似下的结果;短-点、短、点虚线对应电子弛豫时间分别为τ=1.0 ps、0.5 ps、0.2 ps的情况．其值和τ无关．可以看到在高频近似的情况下，等离激元的色散曲线和腔模色散曲线不能相交．需要注意的是，在石墨烯中导带内电子的跃迁主要发生在入射光的THz频段内，因此在THz频段内和室温条件下，石墨烯中可以保证ωτ≈1，而高频极限Drude公式不能用于表示石墨烯中带内跃迁通道产生的光电导率．因此在高频近似的情况下，由于光电导率被高估，等离激元的色散曲线和腔模色散曲线不能相交．


本文编号：3293365