【摘要】：多維度的光調(diào)制手段可以極大地促進(jìn)光學(xué)在各個(gè)科學(xué)等領(lǐng)域中的運(yùn)用。但是受限于常見光學(xué)材料的色散特性,傳統(tǒng)的光調(diào)制器件通常都具有體積大、可調(diào)范圍有限、損耗大等一系列的不利因素。隨著現(xiàn)代光學(xué)集成化需求的提高,尋找能夠克服傳統(tǒng)限制的新型光調(diào)制材料變得十分重要。表面等離激元(Surface Plasmon,SP)因其在亞波長(zhǎng)維度內(nèi)對(duì)電磁波具有強(qiáng)烈的局域能力,其為高效的、集成化的光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。鑒于此,本文系統(tǒng)深入地研究了亞波長(zhǎng)波導(dǎo)和超構(gòu)表面中SP激發(fā)的理論機(jī)理以及其影響因素,并在此基礎(chǔ)上完成了相應(yīng)的光學(xué)器件的設(shè)計(jì)。本文的主要內(nèi)容如下:(1)研究了具有雙耦合共振腔的二維金屬波導(dǎo)中的電磁誘導(dǎo)透明(PIT)現(xiàn)象以及超敏感光傳感器的設(shè)計(jì)。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)波導(dǎo)通道連接著一個(gè)四分之三圓環(huán)形空氣共振腔和一個(gè)較長(zhǎng)的空氣槽共振腔。通過計(jì)算分析了這兩個(gè)共振腔對(duì)波導(dǎo)中傳導(dǎo)的SP的耦合特性。因?yàn)樗姆种龍A環(huán)形空氣共振腔可被波導(dǎo)模式近場(chǎng)激發(fā)從而視為等離激元明模式,而空氣槽共振腔不能被波導(dǎo)模式直接激發(fā)從而視為等離激元暗模式,明暗模式的耦合產(chǎn)生了電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。同時(shí)由于我們?cè)O(shè)計(jì)的共振腔可以支持多級(jí)共振模式,所以在可見光和近紅外波段實(shí)現(xiàn)了三個(gè)誘導(dǎo)透明窗口。結(jié)合三能級(jí)共振模型和數(shù)值計(jì)算,我們系統(tǒng)地分析了此誘導(dǎo)透明各個(gè)模式的耦合特性以及其能量轉(zhuǎn)移特性。最后,通過改變二維波導(dǎo)中空腔的有效折射率,研究了其對(duì)透明窗口的調(diào)制作用,設(shè)計(jì)了一個(gè)在可見光和近紅外波段的超敏感光傳感器。(2)研究了分離的十字形石墨烯超構(gòu)表面中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象以及動(dòng)態(tài)可調(diào)的光開關(guān)的設(shè)計(jì)。該超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元是在介質(zhì)基底上放置三條尺寸相同的石墨烯條帶,其中兩個(gè)位于水平方向,而另外一個(gè)位于垂直方向。由于入射光的偏振方向沿著水平方向,所以入射光可以直接激發(fā)水平方向放置的石墨烯條帶,從而產(chǎn)生水平方向的偶極共振現(xiàn)象。由于近場(chǎng)電磁能的輻射,偶極子可以間接的激發(fā)位于中間垂直放置的石墨烯條帶。在此過程中,電磁能的重新分布會(huì)在透射光譜中誘導(dǎo)出一個(gè)共振譜峰。結(jié)合三能級(jí)共振模型和數(shù)值計(jì)算,我們系統(tǒng)地分析了此偶極-偶極耦合誘導(dǎo)透明的耦合特性以及其能量轉(zhuǎn)移特性。并且利用石墨烯電導(dǎo)率的可調(diào)性的優(yōu)勢(shì),完成了動(dòng)態(tài)可調(diào)的中紅外光開關(guān)的設(shè)計(jì)。(3)研究了雙層“L”形超構(gòu)表面的各向異性透射特性以及反對(duì)稱透射器的設(shè)計(jì)。該超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元是:兩個(gè)相同尺寸但是不等臂長(zhǎng)的“L”形結(jié)構(gòu),它們分布在介質(zhì)基底的兩側(cè)。由于兩層“L”形結(jié)構(gòu)之間的互補(bǔ)關(guān)系,使得其整體結(jié)構(gòu)抑制了圓偏振光的反對(duì)稱透射現(xiàn)象,而當(dāng)線偏振光入射時(shí)會(huì)出現(xiàn)反對(duì)稱透射現(xiàn)象。計(jì)算發(fā)現(xiàn)其對(duì)x線偏振光具有窄帶的90°偏振轉(zhuǎn)化功能,而對(duì)x和y線偏振光均具有寬帶的反對(duì)稱透射現(xiàn)象。我們討論了結(jié)構(gòu)手性的不同對(duì)共振特性的影響,其為反對(duì)稱透射器的設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。(4)研究了具有45°對(duì)稱的組合超構(gòu)表面的各向異性透射特性以及相關(guān)波片的設(shè)計(jì)。該超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元是由一個(gè)成45°角放置金屬棒分別連接著一個(gè)矩形共振環(huán)(外圈)和一個(gè)立方體共振腔(內(nèi)圈)構(gòu)成。結(jié)合傳輸線理論以及邊界條件,理論上分析了其各向異性反射系數(shù)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)在的物理機(jī)理為具有C_2對(duì)稱性,在一定角度線偏振入射光的照射下,它的對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式都會(huì)被激發(fā)�？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)制這兩個(gè)模式的光強(qiáng)和相位關(guān)系,最后由這兩個(gè)分量進(jìn)行疊加得到所需要的反射光的偏振形態(tài)。所以文中通過合理的設(shè)計(jì)立方體內(nèi)部腔的尺寸大小,在通信波長(zhǎng)(1550 nm)附近設(shè)計(jì)了超薄的寬帶90°偏振轉(zhuǎn)化器以及四分之一波片。結(jié)合橢圓角和旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算深入分析了其寬帶特性,并結(jié)合電磁場(chǎng)的分布特征分析了其背后的物理機(jī)理:即磁耦合共振。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34
【圖文】：

方程中增加一個(gè)修正值，其結(jié)果為 0P 1E 。通常采用廣義的介電常 來描述這一修正結(jié)果，其表達(dá)式為：22( )pi (1.7)這也就是所謂的金屬的 Drude 模型，由其計(jì)算出的金的介電常數(shù)如圖 1.1 所。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在限制范圍內(nèi)的全波段中，該模型得到的介電常的實(shí)部基本與實(shí)驗(yàn)數(shù)值是吻合的，其差值幾乎可以不計(jì)[圖 1.1.（a）]；但是在見光波段，因?yàn)槟芗?jí)躍遷的發(fā)生，介電常數(shù)的虛部開始變大，從而使得該模型虛數(shù)部分的吻合度降低，從圖 1.1.（b）中可以兩者之間的差別已經(jīng)較大，此時(shí)模型已不能很好的對(duì)金屬進(jìn)行描述。但是總體而言，自由電子氣模型在一個(gè)相較寬的波頻范圍內(nèi)是能較好的對(duì)金屬的光學(xué)響應(yīng)做出可靠的表述的，所以我們以利用 1.7 式研究金屬表面等離激元的震蕩情況。

結(jié)合以上理論分析，下面我們重點(diǎn)探討表面等離極化激元的物理特性。將（1.10）帶入（1.13），得到半無限大金屬-電介質(zhì)表面產(chǎn)生的表面等離極化激元色散關(guān)系為：1 201 2k (1.14)此式說明表面等離極化激元的傳播同時(shí)依賴于金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)，以在實(shí)際運(yùn)用中可以通過這一性質(zhì)設(shè)計(jì)以及制作相關(guān)的傳感器以及檢測(cè)器等光相關(guān)器件。同時(shí)要說明的是，此式對(duì)于無損耗金屬（介電常數(shù)虛部為 0）以及損耗金屬（復(fù)數(shù)形式介電常數(shù)）的情況均成立。當(dāng)為損耗金屬時(shí)， 和ik 也亦復(fù)數(shù)形式，表面等離極化激元在傳播過程中能量同時(shí)被損耗。如上文所說，表等離極化激元在法線方向上表現(xiàn)為指數(shù)衰減形式，但其也存在一個(gè)很小的傳播矢。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉昶時(shí),施維林;表面等離激元共振生物傳感分析及應(yīng)用[J];光譜實(shí)驗(yàn)室;2004年02期

2 高治文，陳麗娜，趙景星，于新，周素瓊，謝文章;表面等離激元共振[J];大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);1994年02期

3 邵磊;阮琦鋒;王建方;林海青;;局域表面等離激元[J];物理;2014年05期

4 ;北京大學(xué)物理學(xué)院聚焦表面等離激元研究取得重要進(jìn)展[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年01期

5 ;聚焦表面等離激元研究取得進(jìn)展[J];光機(jī)電信息;2011年01期

6 韓亞娟;張介秋;李勇峰;王甲富;屈紹波;張安學(xué);;基于微波表面等離激元的360°電掃描多波束天線[J];物理學(xué)報(bào);2016年14期

7 王振林;;表面等離激元研究新進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2009年03期

8 丁晶新;方銀飛;郭超修;楊嵐;夏勇;尹亞玲;印建平;;基于表面等離激元場(chǎng)的分子反射鏡的理論研究[J];物理學(xué)報(bào);2014年21期

9 張海黔,陶杰,顧寧;高效差分表面等離激元共振傳感器[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年02期

10 張莉;趙茂雄;劉亮;孟巖;向紅;何光宏;韓德專;;人工局域表面等離激元誘導(dǎo)的超透射（英文）[J];原子與分子物理學(xué)報(bào);2018年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 王馳;鄭海榮;吳燕妮;李彩霞;;納米方盤—方框結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振特性[A];2015 年（第七屆）西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2015年

2 張兵臨;;表面增強(qiáng)喇曼散射的受迫表面等離激元模型[A];第二屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];1983年

3 黃鐵軍;湯恒河;譚云華;劉濮鯤;;基于人工表面等離激元的太赫茲超聚焦探針[A];2017年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2017年

4 張超;周永金;王衛(wèi)賓;楊柳;肖前循;;基于人工局域表面等離激元的微流體乙醇傳感器[A];2017年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2017年

5 沈少鑫;單潔潔;陳慧玉;楊明明;趙峰;周勇亮;楊志林;;多模式耦合的表面等離激元增強(qiáng)二次諧波機(jī)理研究[A];第十八屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議摘要文集[C];2015年

6 林潔;路云寧;高韶燕;;利用表面等離激元增強(qiáng)耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感[A];第十六屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)報(bào)告摘要集[C];2014年

7 鄭斌;楊怡豪;沈煉;陳紅勝;;基于超表面的微波表面等離激元控制[A];2018年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集(上冊(cè))[C];2018年

8 陳舒;孟令雁;沈少鑫;趙峰;駱洋;楊志林;;表面等離激元的可控激發(fā)及增強(qiáng)光譜研究[A];第十八屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議摘要文集[C];2015年

9 劉博文;陳舒;姚旭;劉守;楊志林;王磊;任斌;;可靈活調(diào)節(jié)的表面等離激元結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其應(yīng)用[A];第十九屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2017年

10 陳旭東;洪煒;;表面等離激元增強(qiáng)/抑制共軛聚合物發(fā)光研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第二十一分會(huì)：π-共軛材料[C];2016年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 記者 李山;德研發(fā)出世界首個(gè)表面等離激元電路[N];科技日?qǐng)?bào);2013年

2 劉霞;新型納米激光探測(cè)技術(shù)靈敏度高成本低[N];科技日?qǐng)?bào);2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 商雄軍;微納結(jié)構(gòu)表面等離激元激發(fā)的理論研究及其器件設(shè)計(jì)[D];湖南大學(xué);2018年

2 朱旭鵬;表面等離激元金屬納米結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合體系的設(shè)計(jì)及光譜行為研究[D];湖南大學(xué);2018年

3 武士威;表面等離激元催化對(duì)氨基二苯二硫醚偶聯(lián)反應(yīng)及光譜分析[D];遼寧大學(xué);2018年

4 高龍;基于微納加工的表面等離激元光子回路和熱效應(yīng)探測(cè)研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所);2018年

5 潘柏操;人工表面等離激元傳輸特性研究[D];東南大學(xué);2017年

6 高永潘;表面等離激元及介質(zhì)腔性質(zhì)研究[D];北京郵電大學(xué);2018年

7 章可俊;金屬納米顆粒表面等離激元模式的計(jì)算模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

8 鄧茜;基于表面等離激元的激光器與傳感器的研究[D];武漢大學(xué);2018年

9 徐俊s

本文編號(hào)：2730918