多层金属超材料中单向无反射及开关应用研究

作     者：薛娓娓 

作者单位：延安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何智慧

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超材料 单向无反射 单向完美吸收 有机DAST晶体 光子开关 

摘      要：光子作为一种新兴的信息传递的媒介,具有传输速度快、通信容量大、安全性高、信号传输距离远和数据损耗低等优点而被快速发展及广泛应用。超材料因其特殊设计的微结构能高效地调控和操控光传输,是研究光子信息传递的良好载体。在光学领域,基于量子PT对称理论和超材料的特殊光学现象——单向无反射传输,有望成为光通信、生物传感器、表面等离子光刻、纳米光子器件和集成电路的基础。文中提出实现单频带和双频带单向无反射的非PT对称金属超材料方案,给出数值计算结果并用散射矩阵和传输矩阵理论研究其产生的物理机制;还研究基于金属超材料和折射率电压可调控材料的光子开关设计方案,并对光子开关参数指标进行评估,主要工作有:(1)设计由银圆盘和金圆盘及光聚合物PC构造的非PT对称双层异质金属超超材料。通过调节和优化双层金属谐振器之间的距离,在入射光从+Z和-Z方向入射时,在波长766.8 nm和785.7 nm处获得双向单向无反射,还在无反射点获得了单向完美吸收。此外,利用散射矩阵和传输矩阵理论得出在系统散射矩阵特征值的合并点会出现单向无反射传输;当系统出现单向无反射传输时,两个谐振器的诱导电流的相位同相;和无反射点处谐振器参数对比,当谐振器半径改变量越大则反射对比率峰值越小且越远离单向无反射点。设计的双层异质金属超材料在实现单向传输时不仅不受入射光偏振的影响,还能在保证单向传输性能的前提下允许制造工艺误差的存在。(2)设计由银圆盘、金圆盘和金圆盘及光聚合物PC构造的非PT对称多层异质金属超材料,通过调节和优化两相邻金属谐振器之间的距离,当光波从+Z方向入射时,在波长737.1 nm和756.8 nm处实现了单向双频带单向无反射传播,还在两个无反射点获得了双频带单向完美吸收。同样,利用散射矩阵和传输矩阵理论得出在系统散射矩阵两个特征值的合并点会出现双频带单向无反射传输;当系统出现双频带单向无反射传输时,两组相邻谐振器的诱导电流的相位同相。设计的多层异质金属超材料的两个单向无反射点之间波长相差不到20 nm,在实现纳米级近距离多点甚至一定带宽的单向设备有潜在的应用价值。(3)基于设计的双层和多层金属超材料,引入折射率电压可调控有机DAST晶体材料,实现了两款纳米级光子开关。双层金属纳米开关是在双层金属超材料之间中心位置加入有机DAST晶体。调节DAST外加偏置电压等于±5 V和±10 V时分别在波长776.8 nm和783.6nm以及波长773.6 nm和787.4 nm获得两组两个开关点,四个开关点的最大调制深度的是100%,最小插入损耗是0.71 d B,双层金属光子开关性能指标优秀,具有较强的实用价值。三层金属纳米开关是在三层金属超材料的两相邻谐振器之间中心位置都加入有机DAST晶体。在调节上下DAST外加偏置电压值仅为+10 V,及都等于+24V可在波长757.9 nm、779.5 nm、805.1 nm和836.9 nm实现多频带光子开关特性,四个光子开关点的最大调制深度的是98.55%,最小插入损耗是0.70 d B,多层金属光子开关不仅性能优秀,还比双层金属光子开关多两个开关点,在实际应用时更具优势。