發(fā)布時間：2018-10-16 21:44

【摘要】：超構(gòu)材料通過亞波長微結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以實現(xiàn)等效電磁參數(shù)調(diào)控,從而實現(xiàn)超構(gòu)材料與光波作用方式的調(diào)控。光波在其中傳輸時,會出現(xiàn)許多在自然材料中所沒有的超常光學(xué)現(xiàn)象。通過對這些現(xiàn)象的研究,在光信息處理以及全光互聯(lián)網(wǎng)等方面具有重要的理論和應(yīng)用價值。 為了突破衍射極限,基于表面等離激元(SPPs)的超構(gòu)材料逐漸引起了廣泛的關(guān)注。而以石墨烯為載體的陣列結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的金屬陣列具有更多優(yōu)勢。對于中紅外波長區(qū)的SPPs,石墨烯對其約束更強而損耗更小。除此之外,石墨烯材料的可調(diào)控性也是金屬材料所不具有的。 本論文中,分別以耦合波理論和頻域有限差分方法對表面等離激元在石墨烯陣列中的成像與傳播調(diào)控特性進行了對比分析,理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果吻合的較好。主要的研究成果如下： (1)提出將耦合波理論用于解決在弱耦合條件下石墨烯陣列中表面等離激元的傳播問題。建立了適用于石墨烯波導(dǎo)陣列的耦合波方程。并通過編寫頻域有限差分方法(FDFD)計算程序驗證了該理論的正確性,為研究表面等離激元在石墨烯陣列中的傳播提供了有效的理論支持。(2)首次提出了在弱耦合條件下石墨烯陣列中存在的離散表面等離激元泰伯效應(yīng)。與連續(xù)的表面等離激元泰伯效應(yīng)相比,泰伯距離可以通過調(diào)節(jié)石墨烯陣列的化學(xué)勢和層間距而改變。泰伯距離可以縮小至入射波長的二十分之一,這是由于相鄰波導(dǎo)中表面等離激元之間的耦合作用造成的。這種離散的表面等離激元泰伯效應(yīng)在亞波長成像設(shè)備的制作方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 (3)利用化學(xué)勢漸變和介質(zhì)寬度漸變兩種不同結(jié)構(gòu)的石墨烯陣列產(chǎn)生SPPs的空間布洛赫振蕩。在這兩種石墨烯陣列中,與傳播方向垂直的方向上均有SPPs傳播常數(shù)的梯度。第一種陣列中SPPs傳播常數(shù)梯度是通過逐漸變化每個石墨烯的介電常數(shù)而獲得。我們利用耦合波理論解析地得到了多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs在陣列中的強度分布,展現(xiàn)了振蕩模式的SPPs空間布洛赫振蕩效應(yīng)。用頻域有限差分法模擬不同激發(fā)方式下SPPs在這兩種波導(dǎo)陣列中傳播,獲得了與耦合波理論相吻合的結(jié)果。第二種石墨烯陣列通過逐漸變化石墨烯之間的介質(zhì)層寬度而獲得SPPs傳播常數(shù)梯度,同樣用FDFD模擬了多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs在波導(dǎo)陣列中的強度分布。不同與前一種情況,多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs僅呈現(xiàn)了簡諧振蕩效應(yīng)。 (4)我們首次提出了在雙周期石墨烯陣列中存在表面等離激元的顫振效應(yīng)。通過傳輸矩陣方法和耦合波理論精確得到了該結(jié)構(gòu)中SPPs的衍射曲線和帶隙結(jié)構(gòu)。用頻域有限差分法模擬了SPPs在這種波導(dǎo)陣列中傳播圖像,獲得了與耦合波理論相吻合的結(jié)果。其顫振運動的周期達到了微米量級而振幅也有幾十個納米,因而更便于在實驗上進行觀察。 (5)用800nm波長脈寬為50飛秒的激光器結(jié)合Z掃描方法研究了不同濃度的石墨烯溶液的非線性吸收和光限幅特性。樣品表現(xiàn)出的大的反飽和吸收來源于雙光子吸收機制。這種非線性特性導(dǎo)致當入射激光能量大于0.3J/cm2時,石墨烯樣品歸一化透過率顯著減小,從而達到光限幅的目的。通過對不同濃度測量結(jié)果的比較,隨著濃度的增加,這種非線性吸收效應(yīng)逐漸增強,但當濃度超過10mg/L后,由于石墨烯薄片的聚集效應(yīng)會造成非線性吸收效應(yīng)減弱。
[Abstract]:Through the design of sub-wavelength micro-structure, the super-structure material can realize the control of equivalent electromagnetic parameters, so as to realize the regulation of superstructure material and light wave action mode. When light waves are transmitted, there are many extraordinary optical phenomena that are not observed in natural materials. Through the research of these phenomena, it has important theory and application value in the aspects of optical information processing and all-optical Internet. In order to break the diffraction limit, the super-structure material based on the surface plasmon excitation element (SPPs) has been widely used. and the graphene-based array structure has more traditional metal arrays than the traditional metal array, Advantages. For SPPs in mid-infrared wavelength regions, graphene is more constrained to its constraints In addition, the controllability of the graphene material is also not limited by the metal material. In this paper, the characteristics of imaging and propagation in graphene array are compared and analyzed by coupling wave theory and finite difference method in frequency domain respectively. Theoretical analysis and numerical simulation results are given. Good agreement. Major research. The results are as follows: (1) The theory of coupling wave is proposed to solve the surface of graphene array under weak coupling conditions. The propagation problem of the off-excitation element is solved. The method is suitable for the graphene waveguide. The coupling wave equation of the array is verified by the preparation of a finite difference method (FDFD) in frequency domain. The correctness of the theory is verified, and the propagation in the graphene array is provided for the research surface and the like. Effective theoretical support is presented. (2) The discrete surface existing in graphene array under weak coupling condition is proposed for the first time. The Talbot distance can be adjusted by adjusting the chemical properties of the graphene array compared with the continuous surface plasmon effect. the distance between the potential and the layer can be reduced to about one tenth of the length of the incident wave, which is due to the distance between the surfaces of the adjacent waveguides and the like, This discrete surface plasmon effect, such as the discrete surface plasmon effect, is in the production of sub-wavelength imaging equipment. wide application prospect is achieved. (3) S is generated by using a graphene array of two different structures with chemical potential gradient and medium width gradient; In both graphene arrays, in the direction perpendicular to the direction of propagation, The gradient of the propagation constant of SPPs. The gradient of the SPPs propagation constant in the first array is by gradually changing each In this paper, the intensity distribution of SPPs in array is obtained by coupled wave theory, and the SP of oscillation mode is shown. In this paper, we use the finite difference method in frequency domain to simulate the propagation of SPPs in these two waveguide arrays. In the second graphene array, SPPs propagation constant gradient is obtained by gradually changing the dielectric layer width between graphene, and the SPPs in multi-waveguide excitation mode are also simulated by FDFD. Intensity distribution in waveguide arrays. Different from the previous case, SPP in multi-waveguide excitation For the first time, we have proposed a two-cycle graphene array. The flutter effect of the surface plasmon is found in the structure. The transmission matrix method and coupled wave theory are accurately obtained in this structure. The diffraction curves and band gap structures of SPPs are simulated by the finite difference method in frequency domain. The results show that the cycle of flutter is on the order of microns and the amplitude is tens of nanometers. Therefore, it is more convenient to observe in the experiment. (5) The laser with 800nm wavelength pulse width of 50 femtosecond combines the Z-scan method to study the different concentrations. Nonlinear Absorption and Optical Limiting Properties of Graphene Solution Large anti-saturation absorption is derived from a two-photon absorption mechanism. This non-linear characteristic results in normalized penetration of graphene samples when the incident laser energy is greater than 0. 3J/ cm2. Through the comparison of different concentration measurement results, the nonlinear absorption effect gradually increases with the increase of concentration, but when the concentration exceeds 10mg/ L, the graphene sheet
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：2275711