近些年來,超材料和超表面由于其獨(dú)特的電磁響應(yīng)特性,在微波、太赫茲以及光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。與自然界中的天然材料不同,超材料和超表面中的光學(xué)響應(yīng)主要由構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的微單元的形狀、尺寸以及排列方式等決定,因此通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),人們幾乎可以自由地操縱光,調(diào)控其相位、振幅和偏振特性。比起三維結(jié)構(gòu)的超材料,二維超表面制備工藝簡(jiǎn)單、體積小、集成度高,且設(shè)計(jì)十分靈活,逐漸成為納米光子學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。早期關(guān)于超表面的研究工作主要集中在基于金屬材料的表面等離子體器件,而隨著工作波段的藍(lán)移,特別是到了近紅外和可見光波段,金屬的歐姆損耗帶來的一系列負(fù)面效應(yīng)難以忽略,嚴(yán)重影響了器件的工作效率。此時(shí)研究人員開始將注意力轉(zhuǎn)向低損耗的介質(zhì)材料,關(guān)于介質(zhì)超表面的研究開始成為超材料領(lǐng)域的重點(diǎn)方向。介質(zhì)超表面器件的設(shè)計(jì)原理是以米氏散射理論為基礎(chǔ),按其功能劃分大致可分為兩類,一類是對(duì)光場(chǎng)波前進(jìn)行調(diào)控,這一類超表面遵循廣義斯涅爾定律,通過在光場(chǎng)的入射面上引入相位梯度,從而實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn),聚焦以及渦旋光等功能。另一類是以增強(qiáng)超表面中電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為主的諧振型超表面,利用所有諧振單元的的群體諧振效應(yīng)形成高品質(zhì)因子的共振模式以及電磁場(chǎng)熱點(diǎn)來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的光與物質(zhì)的相互作用。本論文主要圍繞硅基諧振型介質(zhì)超表面開展了一系列理論研究和實(shí)驗(yàn)探索,設(shè)計(jì)并制備了不同結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)因子硅基超表面結(jié)構(gòu),并將它們與有源材料結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了大幅度的發(fā)光增強(qiáng)以及窄線寬激光出射,具體成果可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面:(1)提出了一種非對(duì)稱空氣孔陣列結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)因子硅基超表面的設(shè)計(jì),分析了結(jié)構(gòu)中法諾諧振模式的產(chǎn)生機(jī)制以及限制品質(zhì)因子的主要因素,利用結(jié)構(gòu)中電磁偶極子輻射的相消干涉來減小結(jié)構(gòu)的輻射損耗,從而提高了器件的品質(zhì)因子,利用超表面所有結(jié)構(gòu)單元中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)偶極子群體共振效應(yīng)以及它們之間的近場(chǎng)耦合作用強(qiáng)化結(jié)構(gòu)中的諧振,進(jìn)一步提升器件的品質(zhì)因子。(2)設(shè)計(jì)并制備了一種非對(duì)稱法諾諧振諧振超表面量子點(diǎn)發(fā)光器件,利用超表面結(jié)構(gòu)中的高品質(zhì)因子諧振和極小的等效模式體積增強(qiáng)自組裝鍺量子點(diǎn)的發(fā)光,在低溫光致熒光譜測(cè)試中觀察到了三個(gè)數(shù)量級(jí)的發(fā)光增強(qiáng),器件性能在國際上處于領(lǐng)先水平。此外,我們還探索了器件發(fā)光的偏振特性以及與諧振單元數(shù)量的關(guān)系,確認(rèn)了超表面結(jié)構(gòu)中的群體共振效應(yīng)。(3)探索并揭示了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)超表面中的高品質(zhì)因子的法諾諧振模式與連續(xù)域束縛態(tài)之間的聯(lián)系,利用格林函數(shù)本征模展開描述了被超表面單元陣列散射的光場(chǎng)特性,證明了系統(tǒng)的反射和透射系數(shù)與傳統(tǒng)的法諾公式相關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)的非對(duì)稱參數(shù)為零時(shí),這種高品質(zhì)因子諧振模式會(huì)消失,此時(shí)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的是對(duì)稱保護(hù)型連續(xù)域束縛態(tài)模式。由于人為引入的微弱不對(duì)稱性,系統(tǒng)中的對(duì)稱保護(hù)型連續(xù)域束縛態(tài)模式退化為準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)模式,且模式的品質(zhì)因子仍舊非常高。在此基礎(chǔ)上,我們用準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)模式增強(qiáng)硅材料中缺陷的發(fā)光,并在功率依賴測(cè)試中觀察到缺陷中出現(xiàn)了明顯的局域受激輻射現(xiàn)象。(4)基于超表面中法諾諧振的產(chǎn)生機(jī)理,設(shè)計(jì)并制備了一種新型的高品質(zhì)因子的淺刻蝕小孔陣列超表面,這種結(jié)構(gòu)的占空比極小,在工藝上避免了鄰近效應(yīng)導(dǎo)致的陣列結(jié)構(gòu)不均勻的問題,極大地提升了器件的完成度。我們將制備的高品質(zhì)因子超表面用作光纖激光器外腔反射鏡,實(shí)測(cè)反射帶寬約60 pm,消光比約為6.2 dB,激光激射時(shí)邊模抑制比高于70 dB,線寬約600 Hz。(5)在高品質(zhì)因子淺刻蝕小孔陣列超表面設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上,通過改變小孔陣列不同方向上周期,設(shè)計(jì)并制備了一種高反射率的窄帶雙波長反射鏡,并將制備好的超表面外腔鏡應(yīng)用于環(huán)形腔的光纖激光器結(jié)構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)了雙波長激光的穩(wěn)定出射,邊模抑制比大于60 dB,線寬為1.2 kHz,且穩(wěn)定性良好。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

[4]，那么這四個(gè)象限就將所有理論上存在的各向同性材料分為四大類，如圖1-1所示。圖 1-1 根據(jù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率對(duì)材料實(shí)現(xiàn)分類的示意圖[4]從圖1-1中可以看出，位于第一象限的材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均大于零，由麥克斯韋方程可知，在其中傳輸?shù)碾姶挪ǖ碾妶?chǎng)、磁場(chǎng)和波矢滿足右手螺旋法則，因此這類材料也稱為右手材料(Right-handedmaterials，RHM)。自然界中的大多數(shù)材料都屬于右手材料。第二象限代表電等離子體材料(Electric plasma)，根據(jù)亥姆霍茲方程可知，當(dāng)材料的介電常數(shù)小于零時(shí)波矢量為虛數(shù)，電磁波在這類材料中傳播時(shí)能量以指數(shù)形式迅速衰減，表現(xiàn)出倏逝波(Evanescent wave)特性。位于第三象限的材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均小于零，由麥克斯韋方程可知，在里面?zhèn)鬏數(shù)碾姶挪ǖ碾妶?chǎng)、磁場(chǎng)和波矢構(gòu)成左手系統(tǒng)

首次制備了一種在微波頻段介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手材料[42]，如圖1-2所示。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了Veselago當(dāng)初的預(yù)測(cè)，極大地鼓舞了當(dāng)時(shí)的超材料方向的研究工作者，在隨后幾十年里，關(guān)于負(fù)折射超材料的研究取得了大量的成果[10,14,15,19,43]。然而，由于左手材料存在損耗過大和工作帶寬過窄的缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)也限制了左手材料在器件設(shè)計(jì)方面的實(shí)際應(yīng)用，研究人員也開始將注意力從負(fù)折射特性方面轉(zhuǎn)移，努力尋求超材料的其他特性，進(jìn)一步拓寬了超材料的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后在2005年，Smith研究小組首次提出了梯度折射率超材料的設(shè)計(jì)[44]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波傳播方向的調(diào)控，緊接著在2006年

超材料領(lǐng)域未來可能的發(fā)展方向[57]
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本文編號(hào)：2857604