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作者：李杰瑾山西大学

学位级别：硕士

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种特殊的电磁波,它在金属-介质界面产生,并沿着界面传播。研究发现SPPs能够克服衍射极限的限制。因此对SPPs的研究能有效的促进光电子器件的进一步发展。基于SPPs的表面等离子体... 详细信息

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种特殊的电磁波,它在金属-介质界面产生,并沿着界面传播。研究发现SPPs能够克服衍射极限的限制。因此对SPPs的研究能有效的促进光电子器件的进一步发展。基于SPPs的表面等离子体光波导(Surface Plasmonic Waveguides,SPWs)类型有多种。金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)型SPWs由于其具有一些显著的特性而被广泛应用,比如较低的传输损耗、制作简单和较强的电磁场模式束缚性等。等离子体诱导透明(Plasmonic Induced Transparency,PIT)和等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption,PIA)是两种基于MIM型表面等离子体光波导结构而产生的光学效应。本论文主要有三个研究内容:(1)设计了一种端耦合同心纳米圆环谐振腔的SPW结构。其中外侧圆环谐振腔是一个完整的圆环,而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现,当缺口宽度θ=5,位置φ=45时,会在波长674nm处产生明显的PIA现象。基于此,首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用,研究结果表明,其灵敏度超过600nm/RIU,最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性,在PIA传输谷处会产生约-0.081ps的光学延迟,意味着较大的异常色散和快光效应,而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045ps和0.043ps的光学延迟,意味着较大的正常色散和慢光效应。(2)设计了一种由U形腔和矩形腔构成的表面等离子体光波导结构。同时,还研究了改变几何参数对传输特性的影响。由于不同传输路径的模式之间的相消干涉,可以实现PIT效应。通过改变矩形腔的位置和大小可以实现PIT效应的调控,通过增加矩形腔的个数可以实现双重PIT效应。此外,还研究了该结构的折射率感特性以及慢光和快光效应。(3)设计并研究了一种MIM复合等离子体光波导,该波导具有PIT的传输特性,在折射率传感方面也有潜在的应用。波导结构由MIM型直波导、水平放置的非对称H型谐振腔(AHR)和圆环谐振腔(CRR)组成。由于两条不同传输路径之间的相消干涉,可以在传输频谱中观察到PIT效应。采用有限元法对PIT效应进行了详细的研究。结果表明,该波导结构在温度和折射率传感领域具有较高的灵敏度和较好的性能,在慢光光子器件领域具有潜在的应用前景。

关键词：表面等离子体激元等离子体诱导吸收等离子体诱导透明有限元法慢光快光

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基于超材料等离子体的诱导透明及慢光效应研究

基于超材料等离子体的诱导透明及慢光效应研究

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作者：李玉辉长江大学

学位级别：硕士

目前,太赫兹技术已经广泛应用于生物医学诊断、安全检查、无线高速通信和卫星遥感等方方面面。近年来,随着现有制造技术的突破和新兴技术的发展,对光电器件的微型化、柔韧性、紧凑和高速可调性提出了更高的要求。由于化学气相沉积法(Che... 详细信息

目前,太赫兹技术已经广泛应用于生物医学诊断、安全检查、无线高速通信和卫星遥感等方方面面。近年来,随着现有制造技术的突破和新兴技术的发展,对光电器件的微型化、柔韧性、紧凑和高速可调性提出了更高的要求。由于化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,简称CVD)和电子束光刻技术(Electron beam lithography,简称EBL)日趋成熟,这使得制备均匀分布的单层石墨烯超材料成为了可能。此外,石墨烯基太赫兹超材料具有非凡的光电特性,即高载流子迁移率、机械灵活性、非线性光学响应和动态可调谐的多样性,未来石墨烯基超材料很可能以优异的性能替代电子电路,释放出太赫兹光电设备的潜力。因此,本文针对石墨烯基太赫兹超材料在光电器件的应用进行了探索。主要研究内容如下:1、本章首先介绍了太赫兹超材料的光、电特性及其动态调控原理,然后介绍了石墨烯超材料在太赫兹频率范围的光与物质相互作用的超凡能力,即石墨烯等离子体激元,最后介绍了其产生的等离子体诱导透明的发展与应用。2、本章主要介绍了用于拟合双重PIT(Plasmon-induced transparency,简称PIT)的三维耦合模理论、用于拟合四重PIT的五维耦合模理论,及用于分析四重PIT独立可调的五维不完全耦合模理论。3、本章提出了一种简单的带有矩形缺陷的准连续I-型石墨烯超材料,以实现双动态可调谐的等离子体诱导透明(PIT)和等离子体诱导吸收(Plasmon-induced absorption,简称PIA)效应。单层石墨烯所需的费米能级可以通过施加偏置电压进行动态调节,这可以使得双重PIT和PIA的光谱发生移动。有趣的是,通过调整超材料中两个垂直石墨烯带之间的距离,双重PIT(PIA)可以演变成单PIT(PIA)。另外,用电场矢量的分布强度和方向来说明单层石墨烯超材料在偏振入射光作用下的电场大小分布。通过理论分析和数值模拟方法分别研究了太赫兹频率范围内的PIT和PIA效应的光谱响应,显示出非常好的一致性。此外,单层石墨烯的表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,简称SPPs)具有较好的色散特性和较宽的群延时频率范围,该超材料结构中得到的最大群延迟约为0.25 ps。所提出的超材料可能在吸收器、可调谐开关和慢光设备等方面有广泛的应用。4、本章设计了一种由一个石墨烯块和四个石墨烯条组成的单层石墨烯超材料,它在太赫兹频率范围内具有类金属特性,并产生了优异的四重等离子体诱导透明(PIT)。分析表明,四个透明窗的PIT的物理形成机制可以用亮模和暗模之间的强破坏性干涉,以及入射光照射下的电场强度和电场矢量分布来解释。采用耦合模理论(Coupled mode theory,简称CMT)和时域有限差分(Finite-difference time-domain,简称FDTD)分别研究该结构的光谱响应特性,其理论和模拟的结果吻合较好。研究结果表明,在较宽的PIT窗内可以实现可调谐的多频开关和优良的光存储。其最大调制深度可达99.7%,对应的最大消光比为25.04 d B,最小插入损耗为0.19 d B。此外,其群延时高达0.919 ps,对应的群折射率高达2755。因此,所提出的结构为太赫兹多频开关和慢光器件的设计提供了一种新的方法。5、本章提出了一种由三条横向石墨烯条和一条纵向连续石墨烯带组成的周期图案化石墨烯基超材料,在线性偏振光的照射下可以激发SPPs,并实现动态可调的四重等离子体诱导透明(PIT)效应。对沿x方向的磁场分布的进一步分析表明,四重PIT窗可以由亮模和暗模之间的强破坏性干涉产生。另外,从数值和理论上研究了四重PIT效应的光谱响应特性,FDTD模拟得到的结果与CMT计算得到的结果基本吻合。值得注意的是,当不同的费米能级施加于图案化石墨烯时,所提出的四重PIT系统的四个透射峰表现出独立的可调性。此外,还详细研究了载流子迁移率对四重PIT窗的影响。随着载流子迁移率的增加,四重PIT窗变得更加显著,其慢光效应也逐渐增强。当载流子迁移率固定在3.5 mVs时,该四重PIT系统中可以获得0.567 ps的最大群延时和1701的群折射率,相应的延迟-带宽积达到0.634。因此,所提出的四重PIT系统表现出显著的慢光效应,可用于设计多通道频率调制器和慢光设备。

关键词：超材料石墨烯等离子体诱导透明等离子体诱导吸收耦合模理论开关慢光

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基于石墨烯表面等离激元的电磁干涉效应研究

基于石墨烯表面等离激元的电磁干涉效应研究

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作者：廖昌龙湖南大学

学位级别：硕士

表面等离激元是金属表面电子与入射电子或光子相互作用而形成的一种集体震荡行为,由于等离子体波能克服传统的光衍射极限,存在着巨大的局部场增强,异常透射,在传感,生物探测方面都有着重要的应用。石墨烯作为材料界的明星,其独特的热学... 详细信息

表面等离激元是金属表面电子与入射电子或光子相互作用而形成的一种集体震荡行为,由于等离子体波能克服传统的光衍射极限,存在着巨大的局部场增强,异常透射,在传感,生物探测方面都有着重要的应用。石墨烯作为材料界的明星,其独特的热学和电光性能一直备受研究者的青睐。研究人员发现表面等离激元不仅能在石墨烯上激发而且还能在石墨烯上传导,并在2012年实验上得到了证实。结合石墨烯材料本身的优越性能和表面等离激元的应用潜能,故近几年石墨烯表面等离激元的研究成为备受关注的热点研究方向。本文基于石墨烯表面等离激元在等离子体诱导透明和吸收效应方面做了一定的研究。文章的主要工作和结果如下:(1)我们创新设计了一个能实现等离子体诱导透明(PIT)的石墨烯超材料结构。具体结构是由石墨烯圆环(作为明模式)和石墨烯条带(作为暗模式)周期性排列而成。我们用时域有限差分法(FDTD)从数值和模拟方面研究了PIT效应。通过研究PIT效应的形成机理,我们发现:圆环作为明模式(偶极子)与石墨烯条带作为暗模式(四极子)相互作用形成PIT。我们用谐振子模型探索PIT谱线的物理机制得到很好的拟合结果。在我们设计的结构中对PIT进行调控有两种方式:改变结构参数,改变石墨烯的费米能。同时,我们研究了我们结构的慢光效应。群延时超过0.03ps等效于光在真空中行进9um的距离。重点研究了我们系统的传感性能,研究发现可以实现较高的RIU——折射率改变每单元对应的谐振波长的改变可达4833 nm/RIU。我们设计的结构在慢光器件,传感器方面存在巨大的潜在应用。(2)我们在三维的石墨烯波导系统中实现了等离子体诱导吸收效应(PIA)。我们的波导系统是由两个石墨烯圆环和两条石墨烯主波导构成。同样的,我们用时域有限差分法对石墨烯波导系统的PIA效应进行了研究。我们通过改变两个石墨烯圆环的间隙对PIA的形成机理进行了研究。两种传输途径(|1>-|2>和|1>-|2>-|3>-|2>)的干涉相消形成了PIA窗口。出于应用的考虑,通过增加一个圆实现双诱导吸收峰现象,形成机理也是两种途径的干涉相消(|1>-|2>-|3>和|1>-|2>-|3>-|4>-|3>)。我们研究了结构参数改变对PIA的影响,研究发现PIA谱线随着石墨烯圆环半径的增大有明显的红移。在不改变系统的结构参数的情况下,只改变石墨烯的费米能,我们实现了主动可控的PIA效应。同时,我们对系统的传感性能做了充分的研究。我们设计的石墨烯波导系统对周边环境折射率的改变非常敏感。折射率改变每单元对应的谐振波长的改变可达8800 nm/RIU。我们提出的实现PIA效应的波导系统在光学开关,光回路器件,传感器方面都有着重要的研究意义。

关键词：表面等离子体石墨烯表面等离激元超材料有限时域差分方法等离子体诱导透明等离子体诱导吸收

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基于同心纳米圆环谐振腔的MIM波导的PIA特性研究

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量子光学学报 2019年第3期25卷 336-346页

作者：李杰瑾田晋平杨荣草山西大学物理电子工程学院山西太原030006 山西大学现代教育技术学院计算机中心山西太原030006

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW),其中外侧是一个完整的环形谐振腔,而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现,当缺口宽度... 详细信息

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW),其中外侧是一个完整的环形谐振腔,而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现,当缺口宽度θ=5°,位置φ=45°时,会在波长674nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption,PIA)现象。基于此,首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用,研究结果表明,其灵敏度超过600nm/RIU,最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性,在PIA传输谷处会产生约-0.081ps的光学延迟,意味着较大的异常色散和快光效应,而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045ps和0.043ps的光学延迟,意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。

关键词：表面等离子体光波导传输特性等离子体诱导吸收快光和慢光效应

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