电子注激发表面等离子体激元产生电磁辐射的研究

发布时间：2020-08-22 13:51

【摘要】：太赫兹科学技术方兴未艾,推动其发展的一个核心关键问题是太赫兹辐射源。本论文以电子注激励表面等离子体激元为基础,探索将光子学和电子学相结合的方法发展新型太赫兹辐射源,研究发现了一些产生太赫兹辐射的新的物理机制和物理现象。在研究电子注激励表面等离子体激元产生电磁辐射的过程中得到如下重要结果:1.本论文研究了平行运动电子注激励石墨烯表面等离子体激元产生太赫兹辐射,在石墨烯加载介质光栅结构中,电子注激励起相干的表面等离子体激元经光栅衍射转化为辐射场。表面等离子体激元极大的增强了辐射功率,辐射功率密度可高达103 W/cm2,更重要的是辐射频率可通过电子注速度和石墨烯化学势等参数进行调谐,能够覆盖整个太赫兹频段。因此,该辐射具有室温工作、高功率密度、相干、可调的特点。出于实用化的考虑,还研究了由于加工过程导致的介质光栅形变对辐射特性产生的巨大影响。2.本论文研究了螺旋运动电子注激励圆柱石墨烯加载介质结构产生太赫兹辐射。在圆柱石墨烯结构中,由于结构本身的2π周期,表面等离子体激元的色散曲线可以穿过介质光速线,能够满足介质中的切伦科夫阈值,因此表面等离子体激元可转化为介质中的切伦科夫辐射。该太赫兹辐射源的辐射功率密度高达105W/cm2,比平板结构的高两个数量级。辐射频率可通过电子注速度、石墨烯化学势和结构尺寸等参数进行宽频段的调谐,可覆盖整个太赫兹频段。该辐射机制的提出对进一步发展室温工作、高功率密度、相干、可调的太赫兹辐射源具有重要意义。3.本论文研究了电子注激励金属薄膜加载周期结构的电磁辐射,电子注激励起金属薄膜中的表面等离子体激元,表面等离子体激元再经过周期结构衍射转化为相干的电磁辐射。同样的,该辐射具有室温工作、高功率密度、相干、可调的特点。论文详细研究了完纯导体光栅、介质光栅和金属二维光栅三种周期结构,它们具有不同的特点,并分析了其中出现的一些物理现象,如辐射场的干涉、模式耦合等。4.本论文还研究了电子注激励多层金属-介质结构的电磁辐射。在介质薄膜-金属薄膜-介质基底结构中,电子注激励起表面等离子体激元,满足切伦科夫阈值时表面等离子体激元转化为介质中的辐射场。在该结构中,介质薄膜能有效地调节表面等离子体激元的色散特性,使得产生可见光到紫外频段的电磁辐射所需的电子注能量极低。另外,介质薄膜使表面等离子体激元更加局域化,增强了辐射功率。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441

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