【摘要】：光子晶體(Photonic Crystal,PhCs)是一種介電常數(shù)呈空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu),由于其出色的波操控能力和在光通信、傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值,近年來一直備受關(guān)注。最近,研究者們對PhCs的能帶的拓?fù)湫?yīng)的探索更是革新了人們對PhCs的認(rèn)識,量子霍爾效應(yīng)(Quantum Hall Effect,QHE)、量子自旋霍爾效應(yīng)(Quantum Spin Hall Effect,QSHE)以及拓?fù)浣^緣體(Topological Insulator,TI)等一系列經(jīng)典物理現(xiàn)象得以在光子學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。然而,傳統(tǒng)的基于介質(zhì)結(jié)構(gòu)的PhCs因為受到光學(xué)衍射極限的制約,無法進一步尺寸微小化,限制了傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展。表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)可以突破衍射極限,將光場限制在深納米量級,實現(xiàn)光學(xué)器件的高密度片上集成。而相比于傳統(tǒng)的等離激元材料(如金、銀等),石墨烯所支持的SPPs,具有相對低的歐姆損耗、空間限制高以及靈活的可調(diào)諧性等優(yōu)良性質(zhì)。本論文利用石墨烯構(gòu)造二維(2 Dimension,2-D)表面等離激元晶體,通過設(shè)計不同晶格結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)狄拉克(Dirac)、類狄拉克(Dirac-like)和雙狄拉克(Double Dirac)錐形色散關(guān)系,對石墨烯表面等離激元晶體(Graphene Plasmonic Crystal,GPCs)中的能帶拓?fù)湫?yīng)和零折射率特性展開了詳細(xì)地討論。主要研究工作和成果如下:1、構(gòu)造了2-D蜂窩晶格GPCs,利用有限元方法數(shù)值計算了它們的能帶結(jié)構(gòu),在中紅外頻率范圍,實現(xiàn)了位于布里淵區(qū)(Brillouin Zone,BZ)邊界K點的雙重簡并狄拉克錐,通過破壞晶格空間反演對稱性(a:調(diào)節(jié)石墨烯納米盤的化學(xué)勢;b:調(diào)節(jié)石墨烯納米盤的半徑)將K點的狄拉克錐打開,獲得了帶寬達(dá)3.2THz的拓?fù)鋷�。狄拉克錐打開后,在K點形成兩個極化方向完全相反(左圓極化和右圓極化)的谷手征態(tài),通過數(shù)值仿真模擬,我們利用圓極化面內(nèi)磁場源實現(xiàn)了谷手征態(tài)的選擇性激發(fā),并在帶隙內(nèi)實現(xiàn)了拓?fù)涔冗吔巛斶\。2、構(gòu)造了2-D蜂窩晶格GPCs,通過能帶折疊理論,將位于BZ邊界K/K`點的雙重簡并狄拉克錐重疊到BZ中心Г點形成四重簡并的雙狄拉克錐,通過縮小或擴大元胞內(nèi)石墨烯納米盤的間距,將雙狄拉克錐打開,獲得了拓?fù)淦接?非平庸帶隙,進而利用平庸和非平庸GPCs產(chǎn)生傳播于其邊界的贗自旋態(tài),在中紅外頻率范圍,實現(xiàn)了贗自旋依賴的單向邊界傳輸。3、構(gòu)造了2-D三角晶格GPCs,利用有限元方法數(shù)值計算了它們的能帶結(jié)構(gòu),對其模式特性進行了分析,通過調(diào)節(jié)石墨烯納米盤的半徑,在中紅外頻率范圍,實現(xiàn)了位于BZ中心Г點的三重偶然簡并(Accidental Degeneracy)類狄拉克錐。利用Bloch模式的平均場方法,數(shù)值計算了類狄拉克點附近的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率,通過構(gòu)造并數(shù)值仿真模擬了隱身、聚焦、單向傳輸?shù)葢?yīng)用,進一步證明了GPCs中類狄拉克點附近的零折射率特性。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O613.71
【圖文】：

研究背景與意義光子晶體（Photonic Crystal）最早于 1987 年由 Yablonovich 和 John 分抑制自發(fā)輻射和光子局域時提出[1, 2]，是一種介電常數(shù)呈空間周期性變光學(xué)微結(jié)構(gòu), 根據(jù)空間結(jié)構(gòu)，光子晶體可以分為一維（1 Dimension，晶體、二維（2 Dimension，2-D）光子晶體和三維（3 Dimension，3-體三類，如圖 1.1 所示[3]。類似于固體材料，由于周期性勢場作用產(chǎn)生，光子晶體中也存在由空間周期性調(diào)諧的介電常數(shù)引起的光子otonic Band Gap，PBG），處于帶隙頻率范圍內(nèi)的光是被禁止傳播的[子晶體被提出以來，科研工作者們就致力于將光子晶體應(yīng)用于光子集光纖通信等光學(xué)領(lǐng)域。近年來，基于光子晶體的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了果，大量關(guān)于光子晶體的研究被報道，如光子晶體光纖[5]、光子晶體子晶體微腔等[8, 9]。最近，研究者們對能帶拓?fù)湫?yīng)的探索更是革新光子晶體的認(rèn)識，激起了研究光子晶體拓?fù)鋺B(tài)的熱潮，也為實現(xiàn)光類拓?fù)淞孔有?yīng)提供了經(jīng)典波平臺。

如圖1.2 所示，用于破壞時間反演對稱性的旋磁材料為釩摻雜的鈣鐵榴石圓柱[14]。通過施加直流外磁場（0.20 T），當(dāng)頻率為 4.5 GHz 左右時，手性邊界態(tài)的正向傳播和反向傳播的幅值比大于 50 dB，它具有完美的缺陷免疫能力和拓?fù)浞�(wěn)健性，可以繞過障礙物實現(xiàn)單向傳播。磁響應(yīng)的頻率較低，通常局限在微波波段（旋電材料最多到紅外波段），這導(dǎo)致以旋磁材料為基礎(chǔ)實現(xiàn)的光量子霍爾效應(yīng)，難以應(yīng)用在紅外乃至可見光頻段。2011 年，美國馬里蘭大學(xué) Hafezzi 等人提出，利用耦合諧振腔光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造光量子霍爾系統(tǒng)，實現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)（QuantumHall Effect, QHE）和量子自旋霍爾效應(yīng)（Quantum Spin Hall Effect, QSHE）的光子學(xué)類比[15]，并隨后（2013 年）在實驗上以兩個格點上的共振耦合微腔（環(huán)形波導(dǎo)共振腔）的方向耦合為基礎(chǔ)

（a）谷光子晶體的 3-D 能帶結(jié)構(gòu)；（b）谷光子晶體中谷態(tài)的渦旋屬性；光子晶體中的拓?fù)涔容斶\[18]的空間反演對稱性（Spatial Inversion Symmetry, SIS），即使在拓?fù)潴w中也能觀察到光谷霍爾效應(yīng)（Photonic Valley Hall Effect, PVHE）體的谷自由度，他們進一步實現(xiàn)了拓?fù)涔容斶\以及谷渦旋態(tài)的選圖 1.3 所示。隨后，Gao 等人首次通過實驗證明了谷光子晶體中谷穩(wěn)健性，以及谷鎖定的分束效應(yīng)[19]。在谷光子晶體中，由于受到用，不會發(fā)生谷間散射，拓?fù)淠Ｊ胶妥杂煽臻g模式之間具有極高有望在定向天線、激光器等實際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。子晶體中存在一種拓?fù)浞瞧接沟钠纥c，在奇點附近的光子能帶是線學(xué)狄拉克錐（Dirac Cone）。光學(xué)狄拉克錐與眾多科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域零折射率（Zero Refractive Index）、拓?fù)涔庾訉W(xué)、位相調(diào)控、隱身等年，香港科技大學(xué)陳子亭教授課題組在《自然材料》雜志上首次報拉克錐（Dirac-like Cone）型色散關(guān)系的全介質(zhì)光子晶體的零折射率

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 黃學(xué)勤;陳子亭;;k=0處的類狄拉克錐[J];物理學(xué)報;2015年18期

2 鄧新華;袁吉仁;劉江濤;王同標(biāo);;基于石墨烯的可調(diào)諧太赫茲光子晶體結(jié)構(gòu)[J];物理學(xué)報;2015年07期

3 李紹娟;甘勝;沐浩然;徐慶陽;喬虹;李鵬飛;薛運周;鮑橋梁;;石墨烯光電子器件的應(yīng)用研究進展[J];新型炭材料;2014年05期

4 琚成;賈蕓芳;;石墨烯在電子器件研究中的應(yīng)用[J];太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報;2014年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李妍;光子晶體和聲子晶體中由偶然簡并所導(dǎo)致的Dirac錐形色散關(guān)系研究[D];華南理工大學(xué);2015年

本文編號：2756975