基于石墨烯表面等离激元的电磁干涉效应研究

发布时间：2020-04-25 18:36

【摘要】：表面等离激元是金属表面电子与入射电子或光子相互作用而形成的一种集体震荡行为,由于等离子体波能克服传统的光衍射极限,存在着巨大的局部场增强,异常透射,在传感,生物探测方面都有着重要的应用。石墨烯作为材料界的明星,其独特的热学和电光性能一直备受研究者的青睐。研究人员发现表面等离激元不仅能在石墨烯上激发而且还能在石墨烯上传导,并在2012年实验上得到了证实。结合石墨烯材料本身的优越性能和表面等离激元的应用潜能,故近几年石墨烯表面等离激元的研究成为备受关注的热点研究方向。本文基于石墨烯表面等离激元在等离子体诱导透明和吸收效应方面做了一定的研究。文章的主要工作和结果如下:(1)我们创新设计了一个能实现等离子体诱导透明(PIT)的石墨烯超材料结构。具体结构是由石墨烯圆环(作为明模式)和石墨烯条带(作为暗模式)周期性排列而成。我们用时域有限差分法(FDTD)从数值和模拟方面研究了PIT效应。通过研究PIT效应的形成机理,我们发现:圆环作为明模式(偶极子)与石墨烯条带作为暗模式(四极子)相互作用形成PIT。我们用谐振子模型探索PIT谱线的物理机制得到很好的拟合结果。在我们设计的结构中对PIT进行调控有两种方式:改变结构参数,改变石墨烯的费米能。同时,我们研究了我们结构的慢光效应。群延时超过0.03ps等效于光在真空中行进9um的距离。重点研究了我们系统的传感性能,研究发现可以实现较高的RIU——折射率改变每单元对应的谐振波长的改变可达4833 nm/RIU。我们设计的结构在慢光器件,传感器方面存在巨大的潜在应用。(2)我们在三维的石墨烯波导系统中实现了等离子体诱导吸收效应(PIA)。我们的波导系统是由两个石墨烯圆环和两条石墨烯主波导构成。同样的,我们用时域有限差分法对石墨烯波导系统的PIA效应进行了研究。我们通过改变两个石墨烯圆环的间隙对PIA的形成机理进行了研究。两种传输途径(|1-|2和|1-|2-|3-|2)的干涉相消形成了PIA窗口。出于应用的考虑,通过增加一个圆实现双诱导吸收峰现象,形成机理也是两种途径的干涉相消(|1-|2-|3和|1-|2-|3-|4-|3)。我们研究了结构参数改变对PIA的影响,研究发现PIA谱线随着石墨烯圆环半径的增大有明显的红移。在不改变系统的结构参数的情况下,只改变石墨烯的费米能,我们实现了主动可控的PIA效应。同时,我们对系统的传感性能做了充分的研究。我们设计的石墨烯波导系统对周边环境折射率的改变非常敏感。折射率改变每单元对应的谐振波长的改变可达8800 nm/RIU。我们提出的实现PIA效应的波导系统在光学开关,光回路器件,传感器方面都有着重要的研究意义。
【图文】：

示意图,波矢,示意图,石墨

性可以通过两种方式调控，这两种方式分别是介电常数。根据文献[55,56]的假定：0 10μm石墨烯等离子体波的波长为spp ，sppl =nGsp 可以通过 1/Im(kSP)进行估算，计算得到子体波波长的 15.6 倍。由此可以得知，石墨烯超强的局域性，这些优点特性也使得石墨烯等景。离子体的激发方式们将介绍几种石墨烯等离子体的激发技术。从前射的动量与石墨烯表面等离子体的动量不匹配，到平面且扩展到石墨烯中的表面等离极化激元光谱线的右侧。这种限制在石墨烯和金属（当同存在的。因此，在金属中激发 SPPs 的机制通

光栅,石墨,基础光学,运动电荷

典型的激发方式有：光栅耦合激发(Grating Coupling)、棱镜耦合法(Prismoupling) 、近场激发方法(Near-field Excitation) 、运动电荷线激发方法(Excitatf SPP’s by a Moving Line of Charge)。对每种方法进行介绍如下：)光栅耦合激发通过光栅耦合在石墨烯上激发 SPP 是激发石墨烯等离子体最常用的方法之7-61]。光栅耦合的基本思想是利用基础光学的一般原理，即当光束照射光栅结，它给出的是携带“额外”动量贡献（G = 2π/ R 的倍数，由光栅周期决定）的级，，如图 1.4 所示，其中石墨烯片放置在具有周期 R 的图案化电介质的顶部一个类似于衍射光元件的波状反射器与特定的 SPP 波相重合时，相位匹配条：sinsppq k nG(1.中 k c，n 是正整数，n
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】