【摘要】：多維度的光調制手段可以極大地促進光學在各個科學等領域中的運用。但是受限于常見光學材料的色散特性,傳統(tǒng)的光調制器件通常都具有體積大、可調范圍有限、損耗大等一系列的不利因素。隨著現(xiàn)代光學集成化需求的提高,尋找能夠克服傳統(tǒng)限制的新型光調制材料變得十分重要。表面等離激元(Surface Plasmon,SP)因其在亞波長維度內對電磁波具有強烈的局域能力,其為高效的、集成化的光學器件的設計提供了理論基礎。鑒于此,本文系統(tǒng)深入地研究了亞波長波導和超構表面中SP激發(fā)的理論機理以及其影響因素,并在此基礎上完成了相應的光學器件的設計。本文的主要內容如下:(1)研究了具有雙耦合共振腔的二維金屬波導中的電磁誘導透明(PIT)現(xiàn)象以及超敏感光傳感器的設計。該波導結構是由一個波導通道連接著一個四分之三圓環(huán)形空氣共振腔和一個較長的空氣槽共振腔。通過計算分析了這兩個共振腔對波導中傳導的SP的耦合特性。因為四分之三圓環(huán)形空氣共振腔可被波導模式近場激發(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,明暗模式的耦合產生了電磁誘導透明現(xiàn)象。同時由于我們設計的共振腔可以支持多級共振模式,所以在可見光和近紅外波段實現(xiàn)了三個誘導透明窗口。結合三能級共振模型和數(shù)值計算,我們系統(tǒng)地分析了此誘導透明各個模式的耦合特性以及其能量轉移特性。最后,通過改變二維波導中空腔的有效折射率,研究了其對透明窗口的調制作用,設計了一個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表面中的電磁誘導透明現(xiàn)象以及動態(tài)可調的光開關的設計。該超構表面的結構單元是在介質基底上放置三條尺寸相同的石墨烯條帶,其中兩個位于水平方向,而另外一個位于垂直方向。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,從而產生水平方向的偶極共振現(xiàn)象。由于近場電磁能的輻射,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在透射光譜中誘導出一個共振譜峰。結合三能級共振模型和數(shù)值計算,我們系統(tǒng)地分析了此偶極-偶極耦合誘導透明的耦合特性以及其能量轉移特性。并且利用石墨烯電導率的可調性的優(yōu)勢,完成了動態(tài)可調的中紅外光開關的設計。(3)研究了雙層“L”形超構表面的各向異性透射特性以及反對稱透射器的設計。該超構表面的結構單元是:兩個相同尺寸但是不等臂長的“L”形結構,它們分布在介質基底的兩側。由于兩層“L”形結構之間的互補關系,使得其整體結構抑制了圓偏振光的反對稱透射現(xiàn)象,而當線偏振光入射時會出現(xiàn)反對稱透射現(xiàn)象。計算發(fā)現(xiàn)其對x線偏振光具有窄帶的90°偏振轉化功能,而對x和y線偏振光均具有寬帶的反對稱透射現(xiàn)象。我們討論了結構手性的不同對共振特性的影響,其為反對稱透射器的設計提供了更多的選擇。(4)研究了具有45°對稱的組合超構表面的各向異性透射特性以及相關波片的設計。該超構表面的結構單元是由一個成45°角放置金屬棒分別連接著一個矩形共振環(huán)(外圈)和一個立方體共振腔(內圈)構成。結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)。該結構內在的物理機理為具有C_2對稱性,在一定角度線偏振入射光的照射下,它的對稱模式和反對稱模式都會被激發(fā)�？梢酝ㄟ^調節(jié)結構參數(shù)來調制這兩個模式的光強和相位關系,最后由這兩個分量進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計立方體內部腔的尺寸大小,在通信波長(1550 nm)附近設計了超薄的寬帶90°偏振轉化器以及四分之一波片。結合橢圓角和旋轉角的計算深入分析了其寬帶特性,并結合電磁場的分布特征分析了其背后的物理機理:即磁耦合共振。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

方程中增加一個修正值，其結果為 0P 1E 。通常采用廣義的介電常 來描述這一修正結果，其表達式為：22( )pi (1.7)這也就是所謂的金屬的 Drude 模型，由其計算出的金的介電常數(shù)如圖 1.1 所。與實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，在限制范圍內的全波段中，該模型得到的介電常的實部基本與實驗數(shù)值是吻合的，其差值幾乎可以不計[圖 1.1.（a）]；但是在見光波段，因為能級躍遷的發(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較大，此時模型已不能很好的對金屬進行描述。但是總體而言，自由電子氣模型在一個相較寬的波頻范圍內是能較好的對金屬的光學響應做出可靠的表述的，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。

結合以上理論分析，下面我們重點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-電介質表面產生的表面等離極化激元色散關系為：1 201 2k (1.14)此式說明表面等離極化激元的傳播同時依賴于金屬和電介質的介電常數(shù)，以在實際運用中可以通過這一性質設計以及制作相關的傳感器以及檢測器等光相關器件。同時要說明的是，此式對于無損耗金屬（介電常數(shù)虛部為 0）以及損耗金屬（復數(shù)形式介電常數(shù)）的情況均成立。當為損耗金屬時， 和ik 也亦復數(shù)形式，表面等離極化激元在傳播過程中能量同時被損耗。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，但其也存在一個很小的傳播矢。

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本文編號：2730918