基于石墨烯超表面的红外光学器件研究
发布时间：2021-10-26 16:15
近几年来,超表面技术已经成为光通信领域的热点研究方向之一。超表面是一种结合光电子技术和纳米技术的人工合成材料,可以实现对光的振幅、相位和偏振态的灵活调控,进而产生光束偏转、波前聚焦和偏振转化等器件效果。传统的超表面光学系统多是由金属和介质材料组成的,金属超表面存在高损耗、共振分散以及纳米尺度制造困难等问题限制了它在超表面领域的广泛应用。同样,介质超表面也存在功能单一、可调性差等缺点无法成为我们的研究对象。石墨烯是一种六边形碳原子蜂窝状排布的二维超材料,表现出独特的光电特性,它的高载流子迁移率、金属般的负介电常数以及可调的费米能级等特点吸引了我们的关注。利用石墨烯和超表面组成的石墨烯超表面器件,可以通过栅压调控和化学掺杂等方法进行灵活调控,单层和多层结构也可以通过纳米印刷和光刻法轻松获得。此外,石墨烯的超薄特性也大大降低了光在石墨烯超表面上的传播损失。基于石墨烯超表面研究的具体内容如下:（1）设计了一种多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面;利用石墨烯超表面技术设计完成了一种多功能、宽带、高效和可调的新型超表面器件。在石墨烯条带的局部等离子体共振和介电层的法布里-珀罗（Fabry-Perot）共...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超材料与超表面；（a）超材料结构示意图；（b）光学超表面示意图
第一章绪论5的方式来动态调控石墨烯的电导率。石墨烯超表面，正是运用了超表面概念并结合石墨烯材料所组成的具有独特光学性质的表面结构，如图1.2（b）所示。相比于传统的硅基结构表面和金属天线阵列，单层超原子结构和极强的光能束缚效果使得石墨烯超表面能成为一种优异的光子集成器件结构，解决两者所不满足的种种光学调制问题，被激发的石墨烯超表面由于等离子体激元效应可以传播数百个波长单位，在横向电场上限制极小，这也说明了石墨烯超表面的应用范围可能会更为广泛。因此，基于石墨烯和超表面的种种优异性质，结合两者的研究成果所得到的石墨烯超表面几乎表现出完美的电磁效应和强大的动态可调特性。基于石墨烯超表面，也已经研究了如吸收器[10]、偏振转换器[11]、分束器[12]、聚焦器[13]、传感器[14]、隐身器[15]等诸多有效电磁波操控器件。图1.2石墨烯与石墨烯超表面；（a）石墨烯结构图；（b）石墨烯超表面示意图Figure1.2Grapheneandgraphenemetasurface;(a)Graphenestructurediagram;(b)Graphenemetasurfaceschematic反射式超表面研究现状。反射式超表面相比透射式表面，解决了部分效率低下和加工困难等难题。最早的反射式超表面是从金属材料入手的，几乎能够完全反射所有的光能量，使光线利用率几乎能够达到100%的有效效果。利用反射式超表面已经实现的众多有效的光学调制效果，如图1.3所示。1.3（a）的电磁偏折器，梯度指数超材料通过利用反射模式下低质量（Q）元表面和薄的渐变折射材料覆盖层实现在微波范围内40%相对带宽的异常反射[16]。如图1.3（b）所示宽带电磁吸收器，提出的一种宽红外吸收器使用结构化镍铬合金薄层实现了97%吸收率的吸收器[17]。如图1.3（c）所示定向表面波耦合器，理论和实验上都实现了梯度结构超表?
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文`6图1.3几种不同的反射式超表面；（a）反射式偏折器效果图；（b）宽带单元吸收器；（c）定向表面波耦合器；（d）全息投影器件图Figure1.3Severaldifferentreflectivemetasurfaces;(a)Effectdiagramofreflectivedeflector;(b)Broadbandunitabsorber;(c)Directionalsurfacewavecoupler;(d)Holographicprojectiondevicediagram石墨烯超表面偏振转化和波前重塑研究现状。相比普通的超表面，石墨烯超表面的可调性一直是吸引我们工作者的兴趣方向之一，这种可调性表现在对光的振幅调制，此外，还能实现对波前的相位重塑。基于石墨烯超表面可调特性和偏振转化特性，已经实现了下列众多研究成果。如图1.4（a）所示，不对称的石墨烯纳米交叉（在0.75eV费米能级下）表现出两个不同的共振，对不同的波长下表现不同偏振性（接近100°和90°）的光学活动[20]。如图1.4（b）和1.4（c）所示，通过布置纳米带所需的费米能级分布实现的反常折射镜和平面透镜。此外，结构化石墨烯还可以适当安排获得所需相位（如特定的几何参数或指定的费米能级等）以重塑波前，在超薄设备中实现许多功能。结构化的石墨烯实现的折射模式如图1.4（d）和（e）所示,表现出异常反射和艾尔光束等特定效果[21][22]。此外，结构化石墨烯还有的方法就是利用Pancharatnam-Berry（PB）相位实现光束的特定操纵[23]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究(特邀)[J]. 王宇,陶金,刘子晨,尤全,杨奇,刘勇,毛庆洲,吴伟标,何平安,李松,郑国兴. 光通信研究. 2017(06)
[2]基于石墨烯的频率可调超表面传感器[J]. 罗剑. 通讯世界. 2017(15)
[3]基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体[J]. 张会云,黄晓燕,陈琦,丁春峰,李彤彤,吕欢欢,徐世林,张晓,张玉萍,姚建铨. 物理学报. 2016(01)
[4]Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J]. Rongzhen Li,Zhongyi Guo,Wei Wang,Jingran Zhang,Keya Zhou,Jianlong Liu,Shiliang Qu,Shutian Liu,Jun Gao. Photonics Research. 2015(05)
[5]基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器(英文)[J]. 李晨龙,冯丽爽,周震,隋佳伟,殷博昊. 红外与激光工程. 2014(12)
[6]树枝状结构超材料在微带天线上的应用仿真[J]. 纪宁,赵晓鹏. 计算机仿真. 2010(04)
本文编号：3459811
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超材料与超表面；（a）超材料结构示意图；（b）光学超表面示意图
第一章绪论5的方式来动态调控石墨烯的电导率。石墨烯超表面，正是运用了超表面概念并结合石墨烯材料所组成的具有独特光学性质的表面结构，如图1.2（b）所示。相比于传统的硅基结构表面和金属天线阵列，单层超原子结构和极强的光能束缚效果使得石墨烯超表面能成为一种优异的光子集成器件结构，解决两者所不满足的种种光学调制问题，被激发的石墨烯超表面由于等离子体激元效应可以传播数百个波长单位，在横向电场上限制极小，这也说明了石墨烯超表面的应用范围可能会更为广泛。因此，基于石墨烯和超表面的种种优异性质，结合两者的研究成果所得到的石墨烯超表面几乎表现出完美的电磁效应和强大的动态可调特性。基于石墨烯超表面，也已经研究了如吸收器[10]、偏振转换器[11]、分束器[12]、聚焦器[13]、传感器[14]、隐身器[15]等诸多有效电磁波操控器件。图1.2石墨烯与石墨烯超表面；（a）石墨烯结构图；（b）石墨烯超表面示意图Figure1.2Grapheneandgraphenemetasurface;(a)Graphenestructurediagram;(b)Graphenemetasurfaceschematic反射式超表面研究现状。反射式超表面相比透射式表面，解决了部分效率低下和加工困难等难题。最早的反射式超表面是从金属材料入手的，几乎能够完全反射所有的光能量，使光线利用率几乎能够达到100%的有效效果。利用反射式超表面已经实现的众多有效的光学调制效果，如图1.3所示。1.3（a）的电磁偏折器，梯度指数超材料通过利用反射模式下低质量（Q）元表面和薄的渐变折射材料覆盖层实现在微波范围内40%相对带宽的异常反射[16]。如图1.3（b）所示宽带电磁吸收器，提出的一种宽红外吸收器使用结构化镍铬合金薄层实现了97%吸收率的吸收器[17]。如图1.3（c）所示定向表面波耦合器，理论和实验上都实现了梯度结构超表?
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文`6图1.3几种不同的反射式超表面；（a）反射式偏折器效果图；（b）宽带单元吸收器；（c）定向表面波耦合器；（d）全息投影器件图Figure1.3Severaldifferentreflectivemetasurfaces;(a)Effectdiagramofreflectivedeflector;(b)Broadbandunitabsorber;(c)Directionalsurfacewavecoupler;(d)Holographicprojectiondevicediagram石墨烯超表面偏振转化和波前重塑研究现状。相比普通的超表面，石墨烯超表面的可调性一直是吸引我们工作者的兴趣方向之一，这种可调性表现在对光的振幅调制，此外，还能实现对波前的相位重塑。基于石墨烯超表面可调特性和偏振转化特性，已经实现了下列众多研究成果。如图1.4（a）所示，不对称的石墨烯纳米交叉（在0.75eV费米能级下）表现出两个不同的共振，对不同的波长下表现不同偏振性（接近100°和90°）的光学活动[20]。如图1.4（b）和1.4（c）所示，通过布置纳米带所需的费米能级分布实现的反常折射镜和平面透镜。此外，结构化石墨烯还可以适当安排获得所需相位（如特定的几何参数或指定的费米能级等）以重塑波前，在超薄设备中实现许多功能。结构化的石墨烯实现的折射模式如图1.4（d）和（e）所示,表现出异常反射和艾尔光束等特定效果[21][22]。此外，结构化石墨烯还有的方法就是利用Pancharatnam-Berry（PB）相位实现光束的特定操纵[23]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究(特邀)[J]. 王宇,陶金,刘子晨,尤全,杨奇,刘勇,毛庆洲,吴伟标,何平安,李松,郑国兴. 光通信研究. 2017(06)
[2]基于石墨烯的频率可调超表面传感器[J]. 罗剑. 通讯世界. 2017(15)
[3]基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体[J]. 张会云,黄晓燕,陈琦,丁春峰,李彤彤,吕欢欢,徐世林,张晓,张玉萍,姚建铨. 物理学报. 2016(01)
[4]Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J]. Rongzhen Li,Zhongyi Guo,Wei Wang,Jingran Zhang,Keya Zhou,Jianlong Liu,Shiliang Qu,Shutian Liu,Jun Gao. Photonics Research. 2015(05)
[5]基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器(英文)[J]. 李晨龙,冯丽爽,周震,隋佳伟,殷博昊. 红外与激光工程. 2014(12)
[6]树枝状结构超材料在微带天线上的应用仿真[J]. 纪宁,赵晓鹏. 计算机仿真. 2010(04)
本文编号：3459811
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