【摘要】：納米光子學(xué)器件極大程度依賴于納米結(jié)構(gòu)共振和材料物理特性,實(shí)現(xiàn)納米尺度的光與物質(zhì)相互作用:例如,納米結(jié)構(gòu)通過局域共振將電磁場限域在亞波長空間范圍內(nèi);表面極化激元利用光子與材料內(nèi)電子、聲子、激子等準(zhǔn)粒子耦合激發(fā),可以降低電磁場群速度獲得突破衍射極限分辨率,在亞波長尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)光的操控。超表面和表面等離激元學(xué)隸屬納米光子學(xué)兩個(gè)主要分支,前者側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),后者更多關(guān)注材料物理特性,本論文基于前沿的全介質(zhì)TiO2超表面平臺(tái)和二維材料范德華(van der Walls,vdW)極化激元平臺(tái),分別實(shí)現(xiàn)了可見光波段自由空間(Free space)光場調(diào)控和新穎的紅外波段面內(nèi)(In plane)vdW極化激元調(diào)控。論文主要分為三部分內(nèi)容:第一部分,基于全介質(zhì)Ti02超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)自由空間光波前調(diào)控。首先,利用廣義斯涅耳定理論述超表面的光場相位調(diào)控機(jī)制,通過梯度Ti02超表面陣列實(shí)現(xiàn)光束異常折射、以及偏振不依賴超透鏡等相位調(diào)制器件。其次,利用非中心對(duì)稱Ti02超表面天線獲得光場偏振調(diào)控,例如nano-brick由于面內(nèi)各項(xiàng)異性共振表現(xiàn)雙折射晶體特性,沿著長軸方向的TM偏振分量和沿著短軸方向的TE偏振分量產(chǎn)生不同的相位延遲,由此成功設(shè)計(jì)了寬帶的1/4波片和半波片,偏振分束器等。最后,提出雙折射nano-brick超表面光場相位和偏振同時(shí)調(diào)控機(jī)理,成功實(shí)現(xiàn)了多功能偏振分束超透鏡,任意的線偏振光或者圓偏振光入射到該器件,偏振分量將會(huì)得到分辨聚焦,其中所有TM分量將會(huì)聚焦到左側(cè),而所有TE分量聚焦于右側(cè),該偏振分束超透鏡可以同時(shí)代替“分束器+波片+透鏡”的三重功能�？梢姽馊橘|(zhì)超表面具有強(qiáng)大的光波前調(diào)制能力,同時(shí)兼顧按需功能化定制和高傳輸效率的技術(shù)優(yōu)勢(shì),有望實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件小型化、多功能集成。第二部分,基于二維材料獨(dú)特物理特性,實(shí)現(xiàn)面內(nèi)vdW極化激元波前調(diào)控。2D材料類型豐富,"all-surface"鈍化性質(zhì),使得原子層厚度支持高度限域的極化激元,提供可見光到太赫茲光譜范圍內(nèi)新穎的光學(xué)操控能力。目前大量研究工作止步于vdW極化激元的靜態(tài)激發(fā)和探測,未來有望通過對(duì)其傳播操控和調(diào)諧實(shí)現(xiàn)片上光子回路,例如異常折射、聚焦、開關(guān)、拓?fù)鋫鬏數(shù)�。本論文通過構(gòu)筑2D/SiC異質(zhì)結(jié),利用2D和SiC聲子激元(Surface Phonon Polariton,SPhP)之間的雜化耦合,可以實(shí)現(xiàn)低損耗、高限域的激元波負(fù)折射傳輸,并且無需結(jié)構(gòu)刻飾。例如,1)h-BN-graphene/SiC異質(zhì)結(jié):h-BN第一"Reststrahlen" 波帶內(nèi)支持負(fù)群速度雙曲聲子激元(Hyperbolic Phonon,Polariton,HP),傳輸至正群速度的graphene表面等離激元(Surface Plasmon Polariton,SPP),兩類激元波在界面處會(huì)發(fā)生負(fù)折射效應(yīng),入射HP和透射SPP在法線同側(cè)傳播,并成功實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)完美透鏡。2)MoS2-graphene/SiC異質(zhì)結(jié):高折射率的MoS2薄層可翻轉(zhuǎn)SiC聲子激元色散模式,獲得負(fù)群速度d-SPhP,該模式傳輸至帶正群速度graphene SPP時(shí),同樣可以在界面處實(shí)現(xiàn)負(fù)折射傳輸。由于2D激元波的高度限域能力,兩類完美透鏡具有深亞波長的分辨率(FWHM1/80λ0),此外可通過改變graphene費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn)完美透鏡焦距和分辨率的動(dòng)態(tài)調(diào)諧。3)我們提出基于負(fù)折射的面內(nèi)極化激元相位調(diào)控方法:構(gòu)造h-BN-graphene異質(zhì)結(jié)負(fù)折射彎曲界面,界面兩側(cè)正負(fù)極化激元等效折射率絕對(duì)值相同(|±neff|)保證動(dòng)量匹配傳輸;正負(fù)極化激元等效折射率符號(hào)相反(±)獲得相位調(diào)控,實(shí)現(xiàn)波前整形。仿真結(jié)果表明,可以在300nm的傳播距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)面內(nèi)聚焦或發(fā)散透鏡功能;此外,通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),可以實(shí)現(xiàn)聚焦透鏡分辨率從50nm到180nm的動(dòng)態(tài)調(diào)諧,該分辨率范圍遠(yuǎn)小于中紅外自由空間波長。除了極化激元透鏡,按照相位調(diào)制原理精心設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)界面幾何形狀,可以實(shí)現(xiàn)極化激元波前的任意操控。第三部分,在充分掌握超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和2D材料光學(xué)特性的基礎(chǔ)之上,我們開始對(duì)多層TMDs材料做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)新穎的局域極化激元操控。TMDs材料除了具有豐富的物理特性(激子,自旋,能谷等),同時(shí)還表現(xiàn)出極高的光學(xué)折射率,對(duì)于納米光子學(xué)具有重要研究價(jià)值,可以實(shí)現(xiàn)亞波長結(jié)構(gòu)共振。例如,我們提出graphene/MoS2-grating/SiC異質(zhì)結(jié),其中高折射率MoS2(n-4)光柵可以直接激發(fā)SiC的局域表面聲子激元共振(d-LSPhR),d-LSPhR與graphene SPP耦合產(chǎn)生雜化LSPh-SPR模式,該模式保持了低損耗聲子的高品質(zhì)因數(shù)(Q-85),同時(shí)繼承了 graphene的電調(diào)諧特性,通過改變石墨烯費(fèi)米能級(jí),可以實(shí)現(xiàn)紅外光調(diào)制器,調(diào)制深度大于95%。此外,可見光波段WS2(n-4.5)納米光柵本身可以產(chǎn)生米氏共振,共振光子與WSe2激子耦合可以激發(fā)激子激元,具有明顯的拉比分裂。超表面設(shè)計(jì)與新材料結(jié)合、新效應(yīng)的探索以及新應(yīng)用的開發(fā)將是納米光子學(xué)重要研究趨勢(shì),本論文首次將超表面和二維材料極化激元兩者放在一起討論,希望通過超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及二維材料的新穎材料特性,為納米光子學(xué)開辟一條“材料+結(jié)構(gòu)”相結(jié)合的全新道路,通過新穎的光與物質(zhì)相互作用實(shí)現(xiàn)納米尺度光場調(diào)控。目前僅探索性的利用二維TMDs光柵實(shí)現(xiàn)米氏共振,未來有望在TMDs薄層上設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的梯度超表面器件。此外,TMDs的能谷特性和光的圓偏振相關(guān),有望直接通過TMDs幾何相位超表面實(shí)現(xiàn)圓偏振光操控,從而實(shí)現(xiàn)能谷激子的調(diào)控。
【圖文】：

圖１．１納米光子學(xué)簡要介紹：（ａ）光子晶體，（ｂ）表面等離激元，（ｃ）超材料。逡逑部分圖片摘自文獻(xiàn)｜２’７’８’Ｕ’１Ｍ７１逡逑當(dāng)前以金屬Ｐｌａｓｍｏｎ為基礎(chǔ)的ＳＰＰ器件主要面臨兩大技術(shù)瓶頸，一是金屬共振導(dǎo)逡逑致ＳＰＰ的固有光損耗較高，且壽命較短約為１０飛秒［１８］，傳輸效率很低，傳播長度很逡逑短；二是ＳＰＰ的波長壓縮能力有限（ｙ？＝Ａ／知＜４），因此很難實(shí)現(xiàn)高度局域的深亞波長逡逑功能器件。目前科研工作者在尋找新材料替代金屬ＳＰＰ做了大量工作，并且取得了一逡逑

射［２８］、逆切倫科夫輻射［１５］、逆多普勒效應(yīng)等［５（）］。直到九十年代末（１９９６－１９９９年），逡逑英國科學(xué)家？Ｉ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ等提出分別用金屬細(xì)線陣列作為稀化的金屬等離子體和開口諧逡逑振環(huán)結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率［５Ｍ３］，如圖１．２所示。２０００－２００４年，美國逡逑科學(xué)家Ｄ．Ｒ．邋Ｓｍｉｔｈ等第一次在實(shí)驗(yàn)上用印刷電路板工藝，將金屬線陣列和開口諧振環(huán)逡逑組合起來，在ＧＨｚ波段第一次在實(shí)驗(yàn)上獲得左手材料［５＾５６］。逡逑Ｆ．邋Ｗａｎｇ，邋Ｎａｔ．邋Ｎａｎｏｔｅｃｈ邋２０１１逡逑ｉｉｔＢＳ逡逑Ｘ．Ｚｈａｎｇ）邋ｓｃｉｅｎｃｅ邋２００８逡逑Ｊ．Ｐｅｎｄｒｙ，邐ｆＳＢｌ邐Ｖ－Ｓｈａｌａｅｖ逡逑ＰＲＬ１９９６邐Ｎａｔｕｒｅ邋２０１０逡逑Ｓ．邋Ｚｈａｎｇ，邋ＰＲＬ邋２００９逡逑＾邐Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ邋，邋Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ邐ｉ邋Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋ｉ邋Ｖｉｓｉｂｌｅ邋ｋ逡逑圖１．２超材料發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)尺寸減小，，工作頻率升高。逡逑隨著納米技術(shù)和納米加工的進(jìn)步
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉孜杰;反鐵磁/非磁結(jié)構(gòu)的磁極化激元色散關(guān)系[J];曲靖師范學(xué)院學(xué)報(bào);2002年06期

2 董慧媛;王進(jìn);;利用光子晶體調(diào)控表面等離極化激元[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年09期

3 李濤;劉輝;祝世寧;;金屬/介電魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)中磁等離極化激元的研究[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2008年02期

4 朱邦芬;黃方程與極化激元[J];物理;1990年09期

5 段嘉華;陳佳寧;;二維極化激元學(xué)近場研究進(jìn)展[J];物理學(xué)報(bào);2019年11期

6 甘子釗;;極化激元研究的進(jìn)展——紀(jì)念黃昆先生90誕辰[J];物理;2009年08期

7 包錦;梁希俠;;膜厚對(duì)三元混晶雙層系中聲子極化激元模的影響[J];內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年04期

8 劉孜杰;反鐵磁/非磁結(jié)構(gòu)的磁極化激元色散曲線的研究[J];淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年04期

9 周菁;曹恕;;單軸鐵磁介質(zhì)中體磁極化激元的強(qiáng)度函數(shù)[J];南京工學(xué)院學(xué)報(bào);1984年04期

10 賀夢(mèng)冬;余劍敏;翟翔;王玲玲;;含三元合金缺陷層有限超晶格中的界面聲子-極化激元模[J];湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年12期

相關(guān)會(huì)議論文 前6條

1 張用友;金國鈞;;半導(dǎo)體微腔中邊界對(duì)激子極化激元間相互散射的影響[A];第十三屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2008年

2 王凱悅;陳坤;劉純亮;王洪廣;林舒;;表面等離子極化激元的粒子模擬研究[A];中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2018年

3 琚鑫;郭健宏;;量子化表面等離子體極化激元與耦合量子點(diǎn)系統(tǒng)相互作用的格林函數(shù)理論[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

4 吳強(qiáng);張斌;潘崇培;許京軍;;基于時(shí)間分辨成像的太赫茲聲子極化激元研究[A];第十一屆全國光學(xué)前沿問題討論會(huì)會(huì)議論文摘要集[C];2015年

5 陳煥君;沈巖;鄧少芝;許寧生;;二維原子晶體極化激元效應(yīng)及其介導(dǎo)的真空電子發(fā)射研究[A];中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2018年

6 趙永生;;有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第17分會(huì)：光電功能器件[C];2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 張慶;納米尺度光場調(diào)控：全介質(zhì)超表面及二維材料極化激元[D];中國工程物理研究院;2019年

2 牛家勝;離子晶體中的非線性極化激元[D];北京師范大學(xué);2003年

3 賀夢(mèng)冬;半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)中聲子—極化激元與激子性質(zhì)研究[D];湖南大學(xué);2008年

4 白文超;周期極化鈮酸鋰和周期極化摻雜離子鈮酸鋰中聲子極化激元的研究[D];吉林大學(xué);2012年

5 包錦;極性半導(dǎo)體三元混晶及其低維系統(tǒng)中的聲子極化激元[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2008年

6 唐政華;多鐵和壓電壓磁超晶格中極化激元能譜性質(zhì)的研究[D];南京大學(xué);2012年

7 廖臻;人工表面等離激元的物理特性研究[D];東南大學(xué);2016年

8 孫聊新;ZnO回音壁微腔中激子極化激元色散、激射以及凝聚的實(shí)驗(yàn)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2009年

9 曾奇軍;克爾非線性黑體輻射定律的修正[D];華中科技大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 蔣巖;極化激元BEC中穩(wěn)態(tài)暗孤子（船）的研究[D];吉林大學(xué);2019年

2 馬瑋良;二維范德華材料中的極化激元的相關(guān)研究[D];蘇州大學(xué);2018年

3 閆翠玲;三元混晶量子阱線系統(tǒng)的表面和界面聲子極化激元[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

4 王海青;金屬表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)表面等離極化激元的調(diào)控[D];陜西師范大學(xué);2016年

5 段緒東;激子極化激元的布洛赫振蕩[D];北京理工大學(xué);2016年

6 肖玉婷;多層結(jié)構(gòu)中的等離激元—極化激元[D];蘇州科技學(xué)院;2015年

7 曹威;微納諧振腔中表面等離極化激元傳播特性及鉬氧化物納米結(jié)構(gòu)合成與表征[D];西南大學(xué);2014年

8 張媛媛;三元混晶膜中的表面激子極化激元[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2010年

9 王芬;基于Tamm等離激元的光子器件設(shè)計(jì)與分析[D];電子科技大學(xué);2015年

10 杜銀鎖;金屬介電多層膜中表面等離極化激元的傳輸特性研究[D];北京郵電大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2630094