【摘要】：電磁感應(yīng)透明(EIT)是一種利用耦合光降低多能級(jí)原子系統(tǒng)對(duì)泵浦光的吸收強(qiáng)度,在強(qiáng)烈的吸收峰附近實(shí)現(xiàn)高透射率,即對(duì)入射泵浦光“透明”的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的應(yīng)用場(chǎng)合具有較大的現(xiàn)實(shí)意義,例如無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光和慢光效應(yīng)等等。得益于表面等離激元光子學(xué)和超材料學(xué)的發(fā)展,這種在量子光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)條件異�？量痰默F(xiàn)象可以轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域構(gòu)造類似物。而這些類似物的尺寸大都在亞波長(zhǎng)尺度,可以解決微結(jié)構(gòu)中的光通斷控制、光速調(diào)控、光存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、非線性和折射率傳感測(cè)量等問(wèn)題,是未來(lái)納米光子學(xué)芯片的可選功能化結(jié)構(gòu)單元之一。基于這樣的背景和意義,本論文總結(jié)了類EIT研究的演進(jìn)過(guò)程并自行歸納類EIT器件的構(gòu)造方法,對(duì)微納類EIT器件的構(gòu)造原理進(jìn)行了詳細(xì)的區(qū)分和定量闡釋。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,本論文的工作主要使用了解析分析法和數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算法開展研究,包括表面等離激元相關(guān)電磁理論、時(shí)域耦合模理論、轉(zhuǎn)移矩陣法、時(shí)域有限差分法和有限元分析法等等。該論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)分為以下幾個(gè)方面。在同側(cè)雙諧振環(huán)耦合模型中,設(shè)置明暗模式的不同距離,利用明暗模式被激發(fā)的路徑間的相消干涉,取消明模式,激發(fā)暗模式,極大程度上削弱了原單諧振腔產(chǎn)生的強(qiáng)烈吸收,使得該結(jié)構(gòu)對(duì)此波長(zhǎng)和相鄰波長(zhǎng)的入射光“透明”。利用時(shí)域耦合模理論和轉(zhuǎn)移矩陣法,結(jié)合數(shù)值仿真,剖析了各尺寸要素對(duì)透明窗口透過(guò)率和窗口寬度的影響,并計(jì)算出在透明窗口中,光速被減慢。利用與赤池信息標(biāo)準(zhǔn)鑒別法,在該系統(tǒng)中提出了定量分析透明成因的方案,消除由只憑透明現(xiàn)象而產(chǎn)生的對(duì)透明成因的誤解。在雙石墨烯層包覆光柵結(jié)構(gòu)類EIT的設(shè)計(jì)中,推導(dǎo)了與光柵高度有關(guān)的色散方程,指出諧振波長(zhǎng)與光柵高度的定量關(guān)系并通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算加以驗(yàn)證。該模型利用雙諧振原理,在兩吸收峰之間“架起”透明窗口,亦在窗口中實(shí)現(xiàn)了慢光效應(yīng)。基于石墨烯優(yōu)良的調(diào)諧特性,可以實(shí)現(xiàn)工作波段的動(dòng)態(tài)操控。同理,在該模型中,亦應(yīng)用與赤池信息標(biāo)準(zhǔn)鑒別法區(qū)分透明的成因。如果將光柵橫向周期設(shè)計(jì)為漸變型,可以實(shí)現(xiàn)所謂“彩虹陷阱”類分布式光存儲(chǔ)應(yīng)用。在雙側(cè)諧振環(huán)耦合的研究中,利用雙諧振原理,構(gòu)造透明窗口,探討該結(jié)構(gòu)中不同模式的透明,驗(yàn)證了高階模透明的高靈敏性。在雙石墨烯納米帶包覆基底的研究中,實(shí)現(xiàn)了寬帶、高透過(guò)率的透明,亦可在該結(jié)構(gòu)中制造“彩虹陷阱”類的應(yīng)用。另外,除了三大傳統(tǒng)方法,本論文還提出了利用U型通道連接法、內(nèi)外對(duì)稱諧振子構(gòu)造法和混合型構(gòu)造法制造透明的方案。在U型隧道連接法中,通過(guò)人為制造干涉通道來(lái)增強(qiáng)透射率,在原諧振吸收峰附近打開光通路。在內(nèi)外對(duì)稱諧振子構(gòu)造法中,不需要打破對(duì)稱性即可構(gòu)造透明,利用內(nèi)諧振子的類暗模式諧振與明模式干涉形成透明。而在混合型構(gòu)造法中,利用對(duì)稱性破缺、明暗模式和雙諧振子法三種原理的混合,制造了一個(gè)透明窗口。三種小眾設(shè)計(jì)均涉及慢光和傳感方面的探索。除了類EIT器件,本論文還提出了利用石墨烯局部可變的費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn)表面等離激元納米聚焦,將入射光聚集在一個(gè)光斑直徑不超過(guò)2nm的區(qū)域,場(chǎng)強(qiáng)在此處得到成倍增加。提出利用邊界等離激元模式和傳導(dǎo)等離激元模式形成諧振,加強(qiáng)對(duì)入射光的吸收而構(gòu)造的鎢金屬覆蓋脊型微納吸收器。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后,吸收率最高可達(dá)99.9%。利用零介電常數(shù)模式的調(diào)制,可以有效拓寬一般單諧振吸收器的吸收帶寬。提出利用零介電常數(shù)超材料配合一定的邊界條件制造全反射和超透射效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光幾乎百分之百的反射或透過(guò),可以應(yīng)用于電磁斗篷的設(shè)計(jì)。最后,提出可見光區(qū)帶阻表面等離激元金屬濾波器,通過(guò)諧振腔的級(jí)聯(lián),原則上實(shí)現(xiàn)了超高阻帶寬度和超低透過(guò)率。總體來(lái)說(shuō),本論文主要圍繞基于表面等離激元類電磁感應(yīng)透明器件的設(shè)計(jì)展開,兼具其他幾類微納光學(xué)器件的設(shè)計(jì)與探索,是納米光子學(xué)領(lǐng)域較為前沿且具有較大潛在應(yīng)用空間的幾個(gè)方向。結(jié)合當(dāng)前較為成熟但還有待進(jìn)一步提升的微納加工工藝和技術(shù),有理由相信文中所提出的思想和設(shè)計(jì)在未來(lái)能夠推動(dòng)集成微納光子學(xué)的發(fā)展,真正應(yīng)用到生活生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè),提高生產(chǎn)力。
【圖文】：

圖１．１．２．１以上左右兩列圖片均來(lái)自文獻(xiàn)［５（）］，，其中各幾何參數(shù)的含義參考文獻(xiàn)。左列圖（ａ）逡逑為ｘ－ｙ平面結(jié)構(gòu)圖，透射譜和場(chǎng)分布均為左右兩側(cè)凹槽長(zhǎng)度相等時(shí)取得。右側(cè)圖為狹縫向右逡逑位移時(shí)取不同位移量而得，透射譜中依次出現(xiàn)較高透射率窗口。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１．２．１邋Ｔｈｅ邋ａｂｏｖｅ邋ｆｉｇｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｌｅｆｔ邋ａｎｄ邋ｒｉｇｈｔ邋ｃｏｌｕｍｎｓ邋ａｒｅ邋ｔａｋｅｎ邋ｆｒｏｍ邋ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ＾５０＇，邋ｔｈｅ邋ｇｅｏｍｅｔｒｙ逡逑ｐａｒａｍｅｔｅｒ邋ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ邋ａｒｅ邋ｒｅｆｅｒｒｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ．邋Ｆｉｇｕｒｅ（ａ）邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌｅｆｔ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｘ－ｙ逡逑ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，邋ｔｈｅ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｆｉｅｌｄ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ａｒｅ邋ｐｌｏｔｔｅｄ邋ｗｈｅｎ邋ｔｈｅ邋ｌｅｎｇｔｈ邋ｏｆ逡逑ｂｏｔｈ邋ｔｒｅｎｃｈｅｓ邋ｅｑｕａｌｓ邋ｔｏ邋ｏｎｅ邋ａｎｏｔｈｅｒ．邋Ｔｈｅ邋ｆｉｇｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｒｉｇｈｔ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ａｒｅ邋ｐｌｏｔｔｅｄ邋ｗｈｅｎ邋ｔｈｅ逡逑ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｎａｎｏｓｌｉｔ邋ｉｓ邋ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ邋ａｄｊｕｓｔｅｄ．邋Ｏｎｅ邋ｃａｎ邋ｓｅｅ邋ｔｈａｔ邋ｔｈｅ邋ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ邋ｉｓ逡逑ｔｈｕｓ邋ｏｂｓｅｒｖｅｄ邋ｏｎｅ邋ｂｙ邋ｏｎｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ．逡逑所謂對(duì)稱性破缺［５１］，從字面上理解即將器件原有的對(duì)稱性打破，構(gòu)造反相位逡逑干涉以加強(qiáng)透射的一種辦法。該類

１．１．２．２上三組圖片均來(lái)自［５２］，幾何參數(shù)見文獻(xiàn)圖例。下方透射譜（ａ－ｄ）分別為位移Ｌｍ，ｌＯＯｎｍ，邋２００ｎｍ和３００ｎｍ時(shí)所得。實(shí)線為數(shù)值計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)右場(chǎng)幅度圖為（ａ）邋Ｌ＝０ｎｍ和２００ｎｍ時(shí)對(duì)比圖，Ｌ為２００ｎｍ時(shí)取（ｂ）邋（ｄ）兩波谷和（ｃ）波峰處場(chǎng)幅度值。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１．２．２邋Ｔｈｅ邋ａｂｏｖｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｓｅｔｓ邋ｏｆ邋ｆｉｇｕｒｅｓ邋ａｒｅ邋ｔａｋｅｎ邋ｆｒｏｍ邋＾５２＾，邋ｔｈｅ邋ｇｅｏｍｅｔｒｙ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ａｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ邋ｆｉｇｕｒｅ邋ｃａｐｔｉｏｎｓ．邋Ｔｈｅ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｂｅｌｏｗ邋ｉｎ邋（ａ－ｄ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋Ｌ邋ｅｑｕａｌｓ邋ｔｏ邋Ｏｎｍ，邋ｌＯＯｎｍ，邋２００ｎｍ邋ａｎｄ邋３００ｎｍ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．邋Ｔｈｅ邋ｌｉｎｅ邋ｄａｔａ邋ａｒｅ邋ｆｒｏｍ逡逑ｍｅｒｉｃａｌ邋ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ邋ｗｈｉｌｅ邋ｔｈｅ邋ｄｏｔ邋ｄａｔａ邋ａｒｅ邋ｆｒｏｍ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ＊５２＾邋Ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｅ邋ｕｐｐｅｒ邋ｒｉｇｈｔ邋ｃｏｍｅｒ邋ａｒｅ邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｗｈｅｎ邋（ａ）邋Ｌ邋ｅｑｕａｌｓ邋Ｏｎｍ邋ａｎｄ邋２００ｎｍ邋ａｎｄ邋ｗｈｅｎ邋Ｌ邋ｅｑｕａｌｓ邋２００ｔｈｅ邋（ｂ）（ｄ）邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｉｐｓ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋（ｃ）邋ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ邋ｐｅａｋ邋ｆｉｅｌｄ邋ｖａｌｕｅｓ．逡逑另舉一例，在２０１３年發(fā)表在《Ｏｐｔｉｃｓ邋Ｌｅｔｔｅｒｓ》上的《Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｅｃｔｒｏｍａ
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O53;O441.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2664185