【摘要】：表面等離激元是光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的一種表面電磁模式,基于表面等離激元的共振結(jié)構(gòu)可以將電磁場(chǎng)局域在亞波長(zhǎng)尺度內(nèi),因此在信息傳輸、光學(xué)傳感、光電探測(cè)、顯示等領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用�；诒砻娴入x激元的超材料結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電磁波的振幅、相位、偏振等特性的調(diào)控。本論文主要通過將表面等離激元共振應(yīng)用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、金屬介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)、電磁誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu)和偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控。我們首先研究了基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電磁波的調(diào)控,設(shè)計(jì)了一種基于金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)耦合共振腔的的表面等離激元共振結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的高性能帶阻濾波和光學(xué)傳感。該結(jié)構(gòu)通過將矩形共振腔與圓形共振腔耦合得到復(fù)合腔,并與波導(dǎo)耦合,實(shí)現(xiàn)了比單腔更好的透射性能。通過改變環(huán)境的折射率,我們研究了復(fù)合腔的傳感性能,得到了在共振波長(zhǎng)1148.5 nm處有1136 nm/RIU的傳感靈敏度和高達(dá)51275的品質(zhì)因數(shù)。通過改變共振結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),可以對(duì)其共振波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。在電磁吸收器方面,我們基于超材料電磁完美吸收器的基本原理設(shè)計(jì)了基于金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的完美吸收器,對(duì)該吸收器的吸收機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析,研究了吸收器在吸收峰處的場(chǎng)分布,通過改變吸收器的結(jié)構(gòu)參數(shù),研究了金屬線寬度、金屬線高度、介質(zhì)層厚度、周期對(duì)吸收器吸收特性的影響。結(jié)果表明吸收器在不同的金屬線寬度條件下呈現(xiàn)出不同的吸收特性,小占空比和大占空比條件下的吸收機(jī)制也不相同,小占空比時(shí)的吸收主要是金屬線與金屬膜之間的耦合作用,而大占空比時(shí)則主要是空氣腔的FP共振效應(yīng)。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)極窄帶完美吸收器,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于雙層金屬介質(zhì)結(jié)構(gòu)的完美吸收器,該吸收器實(shí)現(xiàn)了近紅外波段0.85 nm帶寬的完美吸收,極大地壓窄了譜線帶寬,我們探討了該窄帶吸收器的吸收機(jī)制,并研究了其傳感性能。在過去,金屬材料是實(shí)現(xiàn)等離激元共振結(jié)構(gòu)的主要材料,但是要對(duì)金屬材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控時(shí),就不得不改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)或引入其他主動(dòng)控制材料,這限制了其應(yīng)用。石墨烯由于其在太赫茲到紅外波段的動(dòng)態(tài)調(diào)諧特性,成為表面等離激元結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的理想材料。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于石墨烯超材料的表面等離激元共振結(jié)構(gòu)。我們?cè)O(shè)計(jì)了基于石墨烯超材料的電磁誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)基于石墨烯條形結(jié)構(gòu)和開口環(huán)結(jié)構(gòu)。分析了條形結(jié)構(gòu)和開口環(huán)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其光學(xué)特性的影響。條形結(jié)構(gòu)的共振頻率隨著其長(zhǎng)度的增加而減小,共振頻率隨著其寬度的增加而增加,而開口環(huán)結(jié)構(gòu)的共振頻率隨著其臂長(zhǎng)、臂間距的增加而減小,隨著其寬度的增加而增加。接著我們?cè)O(shè)計(jì)了電磁誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu),在4.23 THz附近產(chǎn)生了一個(gè)透明窗口,該結(jié)構(gòu)利用條形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的亮模和開口環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的暗模干涉相消,實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明。利用耦合模式理論擬合了該結(jié)構(gòu)的傳輸特性,結(jié)果表明是近場(chǎng)耦合將條形結(jié)構(gòu)中的能量傳遞到開口環(huán)結(jié)構(gòu)中。最后我們分析了該結(jié)構(gòu)的調(diào)諧特性,改變石墨烯費(fèi)米能級(jí)可以有效改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的透明窗口,在透明窗口處可以對(duì)入射光產(chǎn)生皮秒級(jí)的群延遲。當(dāng)前,基于人工電磁超材料的偏振調(diào)控與轉(zhuǎn)換器件已經(jīng)取得了一定的成果,但是還是存在一些問題,首先是偏振轉(zhuǎn)換效率與轉(zhuǎn)換帶寬還有待提升,擴(kuò)展帶寬往往是通過多層結(jié)構(gòu)或者多個(gè)子單元結(jié)構(gòu)組合而成,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;其次是基于金屬材料的偏振轉(zhuǎn)換器不易調(diào)諧,結(jié)構(gòu)一旦設(shè)計(jì)完成,其工作頻率就已經(jīng)確定。針對(duì)以上問題,我們提出了基于石墨烯超材料的偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)諧。我們對(duì)該結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行了分析,該結(jié)構(gòu)基于交叉矩形石墨烯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從頻率6.68 THz到8.66 THz范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率大于95%的偏振轉(zhuǎn)換。通過改變偏振轉(zhuǎn)換器的矩形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度,可以將寬帶轉(zhuǎn)換變成雙帶轉(zhuǎn)換;改變介質(zhì)層厚度會(huì)改變偏振轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率;改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換器在4.5 THz到10.5 THz的動(dòng)態(tài)調(diào)諧;偏振轉(zhuǎn)換器在入射角從0度增加到40度時(shí)保持著極高的轉(zhuǎn)換效率,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性;改變結(jié)構(gòu)周期可以使該偏振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)工作在不同頻帶,其轉(zhuǎn)換效率保持高效且轉(zhuǎn)換帶寬保持寬帶,這說明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在不同的工作頻率實(shí)現(xiàn)寬帶高效率偏振轉(zhuǎn)換。本論文中,我們利用表面等離激元共振的基本原理,分別設(shè)計(jì)了基于金屬材料和石墨烯的光學(xué)調(diào)控結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電磁波的振幅、偏振、傳輸延遲等特性的調(diào)控,這些共振結(jié)構(gòu)可以在光學(xué)傳感、顯示、信息傳輸?shù)确矫娴玫綉?yīng)用。
【圖文】：

圖 1-1 金屬-介質(zhì)界面上傳輸?shù)?SPP[1]區(qū)域的介質(zhì)材料相對(duì)介電常數(shù)為d ， z 0的區(qū)域的于時(shí)諧場(chǎng)，當(dāng) TM 偏振的電磁波入射到介質(zhì)材料與金組， z 0的金屬區(qū)域電磁場(chǎng)可以表示為：11( ) i x k zyH z A e 11 101( )i x k zxmE z iA k e 110( )i x k zzmE z A e 電磁場(chǎng)可以表示為：22( )i x k zyH z A e 22 201( )i x k zxdE z iA k e

科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位1 2A A,12mdkkk k 得到金屬與介質(zhì)界面上的 SPP 的色散關(guān)系0m dm dk 真空中的波矢。圖 1-2 為金屬-介質(zhì)界面上屬與介質(zhì)界面的波矢量大于相同頻率下的入電磁波直接照射到金屬表面時(shí)不能激發(fā) SP激發(fā) SPP。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN25

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