等離激元是一種由電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的、傳播于金屬-電介質(zhì)表面的表面波。由于金屬納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì),等離激元可在亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)對(duì)光進(jìn)行操控�；诘入x激元,人們有望設(shè)計(jì)出高速、小型化、集成化的等離激元芯片,從而用于下一代信息技術(shù)。本文首先對(duì)等離激元進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,主要關(guān)注艾里等離激元、超散射、非線性等離激元這三個(gè)典型概念。對(duì)于艾里等離激元,傳統(tǒng)等離激元模式通常不具有可調(diào)性,使得艾里等離激元的傳播軌跡不具有動(dòng)態(tài)可操控性。對(duì)于超散射,傳統(tǒng)等離激元模式的束縛性較弱,無(wú)法利用等離激元共振來(lái)增強(qiáng)深亞波長(zhǎng)物體的散射截面。對(duì)于非線性等離激元,由于電介質(zhì)的非線性極化率較小,傳統(tǒng)的基于非線性電介質(zhì)的非線性等離激元器件往往需要較高的輸入功率。針對(duì)艾里等離激元缺乏動(dòng)態(tài)可操控性、深亞波長(zhǎng)超散射器難以設(shè)計(jì)、非線性等離激元器件的輸入功率過(guò)高這三個(gè)科學(xué)問(wèn)題,本文引入新型二維材料石墨烯。一方面利用石墨烯的線性和(或)非線性表面電導(dǎo)率,建立了基于石墨烯等離激元的線性傳播理論、非線性傳播理論、線性散射理論、非線性散射理論,對(duì)基于傳統(tǒng)等離激元的傳播和散射理論進(jìn)行了擴(kuò)展或修正。另一方面,針對(duì)一些典型的、解析可解的電磁結(jié)構(gòu),利用石墨烯等離激元的獨(dú)特性質(zhì)給以上三個(gè)科學(xué)問(wèn)題的解決提供了一些思路。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.建立了基于石墨烯等離激元的線性傳播理論。首先利用線性傳播模型研究了平板雜化等離激元波導(dǎo)中的雜化模式。然后針對(duì)艾里等離激元缺乏動(dòng)態(tài)可操控性這一問(wèn)題,展示了具有動(dòng)態(tài)可操控軌跡的雜化艾里等離激元。2.建立了基于石墨烯等離激元的非線性傳播理論。利用非線性傳播模型,針對(duì)非線性等離激元器件的輸入功率過(guò)高這一問(wèn)題,研究了在低輸入功率下,柱形非線性石墨烯等離激元波導(dǎo)中的等離激元模式和色散關(guān)系。3.建立了基于石墨烯等離激元的線性散射理論。首先針對(duì)深亞波長(zhǎng)超散射器難以設(shè)計(jì)這一問(wèn)題,以二維柱形結(jié)構(gòu)為例,利用石墨烯等離激元共振提出了實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)超散射的方法。然后將石墨烯等離激元共振推廣到三維球形結(jié)構(gòu)。最后基于共振疊加的原理進(jìn)一步提高超散射器的性能,并分析了限制性能提高的因素。4.建立了基于石墨烯等離激元的非線性散射理論。利用非線性散射模型,針對(duì)非線性等離激元器件的輸入功率過(guò)高這一問(wèn)題,研究了低入射強(qiáng)度下的雙穩(wěn)散射現(xiàn)象。另外發(fā)現(xiàn)雙穩(wěn)散射的開(kāi)關(guān)閾值受限于石墨烯中載流子的弛豫時(shí)間。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;O441
【部分圖文】：

—?Ａ?Ａ?Ａ?Ａ??Ｍｅｔａｌ??圖１－１表面等離激元示意圖％。??Ａｔ�。ǎ�??八??ａａａＡＡＡ／?ｖ?．??圖１－２當(dāng)Ｂ／矽３?＝?１時(shí)，艾里波包的概率密度［１２】。??場(chǎng)分量，表面等離激元是一種橫磁（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｉｃ，?ＴＭ）波。另外，作為一種表面波，??電磁場(chǎng)強(qiáng)度在界面處最強(qiáng)，遠(yuǎn)離界面時(shí)以指數(shù)衰減。由于在垂直界面方向上，模場(chǎng)尺寸可??明顯小于光波長(zhǎng)，等離激元學(xué)兼具電子技術(shù)和光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)高速、小型化、??集成化的等離激元芯片［｜１］。??下面將介紹等離激元學(xué)中的三個(gè)典型概念：艾里等離激元、超散射、非線性等離激??元，并指出它們的發(fā)展所分別面臨的科學(xué)難題。本論文的研究?jī)?nèi)容將主要圍繞這幾個(gè)概念??展開(kāi)。??１．２．１艾里等離激元??艾里光束（Ａｉｒｙ?ｂｅａｍ）的概念最早起源于量子力學(xué)。在量子力學(xué)中，質(zhì)量為ｍ的粒??子所滿足的薛定譚方程（Ｓｃｈｒｂｄｉｎｇｅｒ?ｅｑｕａｔｉｏｎ）為??ｈ２?ｄ２＾?．ｈｄ＾ｐ?？?，，??￣２＾ｄ＾?＝?ｌｈ￣ｄｉ＇?（１４）??令ｔ?＝?０時(shí)的波包為??作

?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根據(jù)方程（１－３），可明顯看到｜別２在傳播方向上不發(fā)散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如圖１－２所示。??隨后，根據(jù)量子力學(xué)中薛定諤方程與經(jīng)典光學(xué)中傍軸波方程間的類比，艾里光束的概??念從量子力學(xué)擴(kuò)展到了經(jīng)典光學(xué)［１３，１４］。平板光束的電場(chǎng)包絡(luò)的傳播動(dòng)力學(xué)可用如下形式的??１＋１維傍軸波方程來(lái)描述??，〇４＞?１?ｄ２（ｊ）?ｎ??ｉ—?ｈ???＝?〇?（１－５）??處?２?？９ｓ２?，?Ｕ?；??其中ｓ?＝?ｘ／ｘ０代表無(wú)量綱的橫向坐標(biāo)，；ｒ〇是任意橫向尺度，＃牐劍壥槍橐換?拇?ィ崳?距離，ｆｃｚＳＴｒｎ／Ａｏ是光波的波數(shù)。在系統(tǒng)輸入￥?＝?〇處，有限能量的艾里光束為??＝?０）?＝?Ａｉ?（ｓ）?ｅｘｐ?（ａｓ），?（１－６）??其中正值的衰減因子ａ用來(lái)截?cái)嘭?fù)無(wú)窮處的場(chǎng)振幅

ｓ?ｓ??圖１－３在＜?＝０處有限能量艾里光束的（ａ）歸一化場(chǎng)分布和（ｂ）歸一化強(qiáng)度分布，其中ａ?＝??０．１?間。??或者，也可以利用艾里函數(shù)的積分表達(dá)式將解（１－３）用平面波展開(kāi)為??＾２／３?ｒ＋〇〇?ｈｋ２ｔ，ｎ２ｋ３＇］??＾｛Ｘ）ｔ）?＝?／?ｄｋｅｉｋｘ￣＾＋＾）．?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根據(jù)方程（１－３），可明顯看到｜別２在傳播方向上不發(fā)散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如圖１－２所示。??隨后，根據(jù)量子力學(xué)中薛定諤方程與經(jīng)典光學(xué)中傍軸波方程間的類比，艾里光束的概??念從量子力學(xué)擴(kuò)展到了經(jīng)典光學(xué)［１３，１４］。平板光束的電場(chǎng)包絡(luò)的傳播動(dòng)力學(xué)可用如下形式的??１＋１維傍軸波方程來(lái)描述??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 XU Su;WANG Yong;ZHANG BaiLe;CHEN HongSheng;;Invisibility cloaks from forward design to inverse design[J];Science China(Information Sciences);2013年12期

本文編號(hào)：2888452