【摘要】：物质结构单元的排列方式按照其内部是否存在对称性和相关性可以分为有序和无序两种,同时根据有序结构单元排列的对称性和相关性是否为局域属性而描述为具有长程有序特性和短程有序特性。随着光子晶体的概念的引入,这些概念也同时被拓展到了光学领域中人工微纳结构中结构单元排布的相关设计。论文在具有不同序特征的周期、准周期、无序人工微纳结构中,通过引入金属组分,研究了表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)相关的模式激发、耦合、高效吸收、宽频域多重模式耦合、类电磁诱导透明等过程,并通过引入非线性,理论上讨论了非线性耦合、超低阈值光学双稳等现像。论文首先在一维金属光子晶体中系统分析了不同介质厚度下,结构中存在的Bulk等离激元(Bulk Plasmon Polaritons,BPPs)、腔模、长程/短程等离激元(Longrange/Short-range Plasmon Polaritons,LRPs/SRPs)之间的演化关系。研究发现BPP模式分立的等效模式系数是倏逝波Bloch模式在Born-von Karman边界条件影响下的结果。在石墨烯多层周期结构中,同样发现了类似的BPP模式和SRP模式分布特征。在双层石墨烯结构中考虑石墨烯非线性,得到了对称、反对称模式外的非对称模式。非线性模式耦合理论说明非对称模式出现是非线性引起的传播常数的变化同模式耦合对传播常数的补偿作用平衡的结果。理论上研究了非对称周期性褶皱金属光栅结构中的SPPs的激发,发现互不干扰的双侧SPPs同时激发的现象,在透过率谱中表现为色散关系曲线的相互交叉。在近THz波段,研究发现了双侧石墨烯包覆二维矩形光栅结构中石墨烯表面等离激元(Graphene Surface Plasmon,GSP)的激发频率主要决定于相位匹配条件,并受到层间GSPs模式耦合的影响。激发强度受到占空比和光栅厚度的控制。在频率范围约5～12THz,具有多层石墨烯的二值光栅复合材料的光能吸收达到了近90%。准周期晶格是一种只具备长程有序特性而不具备短程有序特征的结构,其通过牺牲短程有序换取倒格矢更好的对称性和自相似性。长程有序主要根据其衍射特性来确定,强调的是在长距离范围体现出来的关联特性和对称性;而短程有序则侧重于局域范围内的周期性质。本论文在准周期方面的工作包括:在传统的二维严格耦合模式分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)方法的基础上,通过选择恰当的基矢和材料矩阵的装配方式,改进了RCWA算法以适用于处理2D准周期问题;利用准周期光栅在倒空间具有多重对称倒格矢的特性,研究了二维准周期光栅/金属/基底复合结构中多重宽频带表面模式激发,在0.5～1.2μm,实现了TE/TM模式的多重响应,最后给出了各个模式间的耦合特性。无序结构的一个重要分支是一维随机介质,其典型结构为两种组分交替排列,但每层厚度随机的结构。一维随机介质的局域强度主要由特征参数局域长度倒数表征,其正比于结构对光场的局域能力,可以将其定义为局域强度。研究发现弱无序条件下,由两种材料构成一维随机介质中局域强度存在半解析表达式。强无序性条件等价于随机相位近似,存在全解析局域强度。随着厚度的随机分布的变化,弱无序条件下局域长度将围绕强无序极限下的结果波动,且随着无序程度的增大波动减弱,直至局域强度逼近极限值。同时材料折射率的差别越大,局域强度越强。在弱无序条件下,两种以上材料构成的一维随机介质的局域性质还受到材料排列次序的影响;强无序条件下,局域属性决定于界面种类。最后利用一维无序介质的完美反射特性,在金属/一维随机介质结构中激发了Tamm等离激元模式。利用一维随机介质的高Q值属性,在金属/一维光子晶体/一维随机介质复合结构中实现了类电磁诱导透明现象。结合Tamm等离激元的场增强效应和异常共振透射增强,在金属/一维随机介质中得到了超低阈值双稳,转换阈值约44k W/cm~2。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O485
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1 记者 张Z，
本文编号：2256612
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