基于超表面与石墨烯的传感与光栅

发布时间：2020-04-01 07:44

【摘要】：超表面具可以实现对光的偏振、相位、振幅、强度的调控等等,因此具有广泛的应用,例如:实现对于光的百分百吸收、调节散射光相位、偏振方向操控、光聚焦、全息成像等等。在表面增强红外吸收领域,因为红外吸收与电场的平方成正比,所以需要借助超表面实现较强的场增强。在折射率传感器领域,需要设计出品质因子较高的传感器,这需要吸收峰的半高宽是极小的,所以需要借助超表面来产生半高宽较小的利用等离激元的器件。以往的光栅往往是结构固定的,如需变更光的传播方向,需要手动或旋转光栅,但超表面与石墨烯相结合可以实现对于光的传播方向的调节。所以在本文中,主要涉及了三个方面:(一)表面增强红外吸收的发展受到了两个方面的限制:一个是场增强因子,一个是金属共振器的共振波长的带宽较小。有鉴于此,提出了一种新月共振器与石墨烯相结合的结构来解决这两个问题。新月共振器与开口环共振器结构类似,但是具有较高的场增强因子,第二章系统地研究了石墨烯对于新月共振器的场增强的影响,也研究了石墨烯对于新月共振器的共振波长的影响。并且,发现了新月共振器的等离激元与石墨烯的传播的等离激元相互作用的现象。等离激元波的干涉,导致了新月的间隙的场增强因子更大,并且发现整个石墨烯表面存在场增强,这与以往的金属等离激元的性质不一样。(二)金属-绝缘体-金属(MIM)结构的等离激元间隙模式对于实现折射率传感器是有前途的。这主要是因为其具有接近百分百的吸收。然而,间隙模式的传感性能受限于其较宽的共振带宽,较宽的共振带宽对应的是较大的能量损耗。有鉴于此,提出一种基于MIM结构的方块形阵列用于同时激发表面等离激元与瑞利反常模式。并且,证明了它们在传感上的具有优异的性能。对于瑞利反常模式而言,其灵敏度达到了1470nm/RIU,其半高宽达到了0.23纳米。其品质因子达到了6400(按照波长移动方式去计算)或58000(按照强度变化方式去计算)。这两个伍德反常现象具有相反的角度依赖特性。这可以用表面波的相反的传播方向来解释。(三)在过去数十年,石墨烯等离激元由于其具有较低的能量损耗并且具有可调节的共振波长,受到了广泛关注。然而,石墨烯与入射光的相互作用较弱,这是用于石墨烯的载流子密度较低且石墨烯的厚度较小。这严重地限制了石墨烯等离激元的实际应用。在红外波长范围内,石墨烯可以作为一种可调节的物质,用以调节金属等离激元的共振波长与损耗。这已经成功地应用于调节光强度与调节光相位。有鉴于此,提出一种可调节光栅。此光栅是由若干相位比特组成的正方形光栅。每个相位比特包括了金属环共振器与石墨烯与金属反射层与电极。通过调节电压,来改变反射光的相位,相位差为0或π,这个较大的相位调节的出现是因为石墨烯与金属等离激元的相互作用,通过改变不同位置的相位比特的反射光的相位,来实现对于光的传播方向的调节。这就是可调光栅的原理。
【图文】：

表面等离极化激元,表面等离激元共振,局域

图 1.1 表面等离极化激元与局域表面等离激元共振的区别[46]。表面等离极化激元）的特点是金属与入射光相互作用，电子并将这种震荡模式传播出去。传播距离大概是数十微米左右。分构成，一部分是产生辐射的能量损耗，，另一部分是金属吸收。电磁场在垂直方向上成指数衰减。金属表面会有场增强，增十倍左右。其原理类似于将石头投掷在湖中，水波向周围扩散（局域表面等离激元共振）的特点是尺寸小的金属结构被入射场会驱使价电子以同样频率震荡。电子云会相对于原子核发生第二章到第四章的器件的尺寸通常小于波长或约等于波长。所P（表面等离极化激元），也有 LSPR（局域表面等离激元共振个章节内容安排
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74;TP212

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