石墨烯表面等离激元诱导吸收效应的机理及应用研究

发布时间：2020-08-09 02:15

【摘要】：随着社会的快速发展,现如今人们已经迈入了高速信息化和大数据的新时代,因而传统信息技术已经不能满足人们日益增长的对数字信息传输的要求。随之而来的信息科学技术领域的不断革新和发展,高速集成化、小尺寸光学器件逐渐为人们所利用,这些器件在克服光学衍射极限方面有了很大的进展,例如,基于表面等离激元的光学器件能够将电磁波束缚于金属表面,并可以实现在纳米尺度上对电磁波的传输进行操控。一般而言,一旦支持金属表面等离激元传输的光学结构确定,它的光学性质就很难发生改变,除非纳米金属结构的几何参数发生改变。因此,如何实现动态可调吸引了科学家的极大关注。近几年来,一种新型特殊材料石墨烯的出现为本文实现纳米结构光学参数的动态可调提供了一条新的途径。本文的所有结论是建立在石墨烯等离激元结构基础上,利用时域有限差分法对构建等离激元诱导吸收效应进行了深入的研究,本文的工作以及结论如下:提出了一个由单层石墨烯、Al_2O_3隔离层和银沟槽组成的新型结构。平面入射光垂直入射到本文的结构上面,激发了单层石墨烯的准波导模式和银沟槽的法布里-珀罗共振模式,这两种模式之间的相长干涉导致了等离激元诱导吸收效应。数值模拟揭示了本文的结构比以前的至少三个优点。首先,消光比可以达到99.999%,导致高达10~6的传感灵敏度(FOM*)。其次,通过改变耦合距离可以动态优化这种等离激元诱导透明效应(PIA)的强度。第三,通过改变石墨烯费米能级可以实现共振频率的动态调节。该系统可能在动态光学开关和生化传感中具有潜在的应用。展示了一个超紧凑石墨烯波导系统中的等离激元诱导吸收效应,它是由带有两个空气腔石墨烯波导和边耦合的石墨烯纳米条带组成。通过设计两个相干光学路径,由于两个石墨烯纳米条带所支持的辐射和亚辐射模式之间的极度破坏性干扰,可以在透射谱中实现显著的等离激元诱导吸收效应。共振强度对两个石墨烯纳米条带之间的耦合距离有强烈的依赖,并且可以通过改变石墨烯纳米条带的费米能级动态调节共振波长。此外,可以在吸收窗口达到-0.14 ps的群延迟时间,这表明了独特的快光特性。另外,还通过引入另一种石墨烯纳米条带引起双PIA现象。本文的结果可能为在超紧凑型等离激元激元器件设计中控制光信号传输铺平道路。
【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
【图文】：

图 1.1 p 偏振光入射到介质-金属表面的截面示意图。文献[1以大于临界角 的入射角射入平面上，在界面传播的于入射在界面上的 p 偏振波，振荡电场将在金属和电面电荷，并且表面电荷经历集体振荡。尽管波在界面在振荡电荷，这些振荡电荷会使辐射场穿透进入金属在垂直于界面的方向上是空间衰减场，也就是本文通.2 所示）。在临界角，衰减长度是无限的，但随着入度迅速下降到光波长的数量级。在这些情况下，入射用于将辐射耦合到 SPP。

图 1.1 p 偏振光入射到介质-金属表面的截面示意图。文献[17]当入射光以大于临界角 的入射角射入平面上，在界面传播的能量要比金属中要多。对于入射在界面上的 p 偏振波，振荡电场将在金属和电介质之间的界面处引起表面电荷，并且表面电荷经历集体振荡。尽管波在界面处被完全反射，但是仍存在振荡电荷，这些振荡电荷会使辐射场穿透进入金属。振荡电荷产生的电磁波在垂直于界面的方向上是空间衰减场，也就是本文通常所说的消逝场（如图 1.2 所示）。在临界角，衰减长度是无限的，但随着入射角进一步增加，衰减长度迅速下降到光波长的数量级。在这些情况下，入射波超出临界角的瞬逝场可用于将辐射耦合到 SPP。

图 1.3 SPP 波的色散曲线。是 SPP 波矢和自由空间波矢，对于相同频率，SPP 波的间光子的光的动量。文献[17]线表现出非线性特征（如图 1.3 所示）。对于相动量小于表面等离激元波的动量，这导致光与表这种不匹配必须通过在界面处光和 SPP 耦合模式 = 0 生集体振荡并且 SPP 可以被激发。介电常数为 = 1 2 2元的频率。对于许多金属来说，频率在紫外线波属不再具有金属性。根据等式(1.19)和(1.20)，SP

【参考文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 秦康;基于石墨烯表面等离子体的太赫兹器件的研究[D];中国计量学院;2016年

本文编号：2786446