發(fā)布時間：2020-07-09 12:16

【摘要】：單向光傳輸現(xiàn)象因其在光學(xué)隔離器、光學(xué)二極管、偏振轉(zhuǎn)換和光互聯(lián)中有著非常重要的應(yīng)用價值而越來越被人們重視和研究。單向光傳輸器件是實現(xiàn)光子系統(tǒng)邏輯功能的重要組成元件。實現(xiàn)單向光傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)方法往往需要外置磁場偏置,極大地限制了其在器件小型化和集成化趨勢中的發(fā)展。近年來,基于超材料的單向光傳輸器件為解決該問題提供了一種全新的設(shè)計思路。目前利用靜態(tài)設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了寬工作頻帶和高傳輸效率的單向光傳輸。如何實現(xiàn)超材料中單向光傳輸?shù)念l率動態(tài)調(diào)諧性能是值得研究的科學(xué)問題。本文結(jié)合基于石墨烯超表面的偏振轉(zhuǎn)換器和亞波長金屬光柵,設(shè)計了一種新型的頻率可調(diào)單向光傳輸?shù)膹?fù)合超材料,主要的研究成果如下:(1)根據(jù)實現(xiàn)單向光傳輸?shù)奈锢項l件,提出了一種石墨烯-金屬復(fù)合超材料結(jié)構(gòu),其具備寬帶可調(diào)諧的單向光傳輸新特性。所設(shè)計的超材料由雙開口諧振環(huán)打孔石墨烯陣列和亞波長金屬光柵組成。基于高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulator,HFSS)的數(shù)值計算仿真表明,在線偏振光正入射的情況下,論文設(shè)計的石墨烯-金屬復(fù)合超材料在27.1 THz到31.4 THz的頻率范圍內(nèi),正向傳輸?shù)目偼干渎时３衷?.1以上,最大的傳輸效率可達18.8%,半峰寬度為4.3 THz,而反向傳輸被完全阻止。當石墨烯費米能級從0.6到1eV變化時,單向傳輸?shù)念l段移動范圍達6.6 THz,展示了良好的頻率調(diào)諧特性。(2)揭示了所設(shè)計石墨烯-金屬復(fù)合超材料中偏振轉(zhuǎn)換和單向光傳輸?shù)奈锢頇C制。論文計算了入射光正向傳輸時石墨烯-金屬復(fù)合超材料激發(fā)的三個共振模式的電場分布和表面電流分布。正向傳播的線偏振光經(jīng)過打孔石墨烯時,通過共振相互作用會產(chǎn)生與入射偏振方向不同的極化電流,該極化電流導(dǎo)致了輻射的光偏振方向轉(zhuǎn)動90°,轉(zhuǎn)動后的光偏振方向與金屬光柵的透光方向一致,能夠順利透過;而當光傳播方向反向時,入射線光偏振方向與金屬光柵的透光方向垂直,完全被擋住,導(dǎo)致了單向光傳輸特性。(3)闡明了影響單向光傳輸效率的物理因素。除了透射光譜外,論文還計算了反射光譜和吸收光譜,探究了界面反射、材料損耗和石墨烯的電子散射時間等相關(guān)物理因素對單向光傳輸效率的影響。結(jié)果表明入射光正向傳輸時,在主要的工作頻率范圍內(nèi)金屬的材料吸收可以忽略不計。當石墨烯的電子散射時間小于0.5 ps時,石墨烯的光吸收是制約傳輸效率的主要因素;而石墨烯的電子散射時間大于0.5 ps時,石墨烯的材料吸收越來越少,此時界面反射為主要損耗。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN312;TB33
【圖文】：

“魚鱗”圖案的平面手性超材料[32]

不同結(jié)構(gòu)的平面手性超材料

C.Menzel等人設(shè)計的三維手性材料[37]

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本文編號：2747440