石墨烯包裹介电体系的电磁散射及非线性效应

发布时间：2020-04-24 21:55

【摘要】：本文主要研究了太赫兹波段下,石墨烯所表现出的金属性及其非线性光学响应。我们将石墨烯包裹介电柱和石墨烯包裹介电球作为研究模型,在平面波照射情形下,首先分析了体系可调的光散射特性;然后借助表面等离激元共振对石墨烯非线性效应的增强,研究了体系可调的光学双稳和光学多稳现象。具体的研究内容分为以下几方面:1.石墨烯包裹介电纳米线的光散射特性和光学双稳基于非线性全波散射理论和非线性准静态理论,我们研究了石墨烯包裹介电柱的光学双稳态。伴随着电偶极模式的激发,我们在体系的近场和远场谱线中都观察到了光学双稳态。并且,随着外加强场的引入,非线性全波散射理论证实了体系还存在一个光学双稳态,这证明了人工可调谐磁偶极子的存在性。我们还发现,该体系双稳的转换阈值可以通过改变介电柱的尺寸、介电常数或者改变石墨烯的化学势来实现改变。我们的研究表明了克尔型非线性与石墨烯等离激元间的相互作用,该成果预示着石墨烯包裹纳米线能够用于制造太赫兹频段下的全光开关或者纳米存储器。2.石墨烯包裹介电球颗粒的光散射特性和光学双稳我们建立了非线性电磁理论,该理论包含了用于研究石墨烯包裹介电颗粒光学多稳态的自洽平均场方法。对于小颗粒情形,由于电偶极模式的作用,该理论得到结果与准静态理论下的结果吻合,我们发现体系的近场和远场谱线都呈现除了光学双稳态。而且,对于小颗粒情形,强场的引入会激发磁偶极模式,从而带来体系的另外一个光学双稳态。另一方面,对于大颗粒情形,我们观察到了光学三稳态甚至光学多稳态,这是由于高阶磁模的贡献。除此之外,我们证实了该体系双稳区间与转换阈值会跟随石墨烯的费米能级和颗粒尺寸的改变而改变。我们的研究成果表明石墨烯包裹的介电颗粒可以用于制造光学多态开关、光学存储器以及相关的光电设备。3.石墨烯包裹介电柱的等价介电常数、磁导率及法诺共振利用全波电磁散射理论,我们建立了石墨烯包裹介电纳米线平行排布在介质中的复合结构的有效介质理论。在长波极限下,我们得到了石墨烯包裹介电(GCD)纳米线的等价(EQ)介电常数和磁导率,结合等价参数,我们得到了复合结构共振和隐身的条件。通过分析比较远场散射谱,我们发现相同尺寸的等价电磁结构可以和原复合结构进行有效的拟合,同时,我们还通过散射效率的三维图像,找到了复合结构出现法诺共振的参数,并通过调节介电柱和石墨烯的参数,得到了体系可调的法诺共振曲线。
【图文】：

非线性过程,光子,等离激元

光学材料在激光、电子通讯、光电器件及医药器材等领域有着良好的应用，表面等离激元能够极大地增大局域场的强度，使得非线性效应显著增强体系非线性行为的阈值，故而支持非线性等离激元的光学器件的研究也被石墨烯在太赫兹波段下就表征出金属性以及较强的非线性效应，因此石支持非线性表面等离激元器件的重要材料。本章主要对非线性等离激元的概况及其应用进行简单阐述，结合石墨烯的光学特性和非线性效应，分析介电的微纳体系与电磁波相互作用而产生的特异电磁现象。最后对本文研内容作出简单的介绍。非线性等离激元的研究概况非线性等离激元简介

介电界面,表面等离子激元,金属,非线性光学响应

属-介电界面上的表面等离子激元（摘自 Barnes, W. L., Dereux, A.asmon subwavelength optics, Nature, 2003, 424, 824-830）就是一种有效地增强非线性光学响应的途径。等离激元效近传导电子的相干振荡。对于延续的金属表面，该相干振发（Surfaceplasmonpolaritons，简写为 SPPs），即表面电磁（如图 1.2）；而对于金属纳米颗粒，非线性光学响应来源alizedsurfaceplasmons，，简写为 LSPs），它是在入射的电磁面的自由电子产生的集体振荡行为，如图 1.3 所示，其共形状和环境介质。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O437

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