發(fā)布時間：2020-11-18 07:04

　　 等離激元是一種由電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的、傳播于金屬-電介質表面的表面波。由于金屬納米結構的獨特光學性質,等離激元可在亞波長尺度內對光進行操控。基于等離激元,人們有望設計出高速、小型化、集成化的等離激元芯片,從而用于下一代信息技術。本文首先對等離激元進行簡單介紹,主要關注艾里等離激元、超散射、非線性等離激元這三個典型概念。對于艾里等離激元,傳統(tǒng)等離激元模式通常不具有可調性,使得艾里等離激元的傳播軌跡不具有動態(tài)可操控性。對于超散射,傳統(tǒng)等離激元模式的束縛性較弱,無法利用等離激元共振來增強深亞波長物體的散射截面。對于非線性等離激元,由于電介質的非線性極化率較小,傳統(tǒng)的基于非線性電介質的非線性等離激元器件往往需要較高的輸入功率。針對艾里等離激元缺乏動態(tài)可操控性、深亞波長超散射器難以設計、非線性等離激元器件的輸入功率過高這三個科學問題,本文引入新型二維材料石墨烯。一方面利用石墨烯的線性和(或)非線性表面電導率,建立了基于石墨烯等離激元的線性傳播理論、非線性傳播理論、線性散射理論、非線性散射理論,對基于傳統(tǒng)等離激元的傳播和散射理論進行了擴展或修正。另一方面,針對一些典型的、解析可解的電磁結構,利用石墨烯等離激元的獨特性質給以上三個科學問題的解決提供了一些思路。主要內容包括以下幾個方面:1.建立了基于石墨烯等離激元的線性傳播理論。首先利用線性傳播模型研究了平板雜化等離激元波導中的雜化模式。然后針對艾里等離激元缺乏動態(tài)可操控性這一問題,展示了具有動態(tài)可操控軌跡的雜化艾里等離激元。2.建立了基于石墨烯等離激元的非線性傳播理論。利用非線性傳播模型,針對非線性等離激元器件的輸入功率過高這一問題,研究了在低輸入功率下,柱形非線性石墨烯等離激元波導中的等離激元模式和色散關系。3.建立了基于石墨烯等離激元的線性散射理論。首先針對深亞波長超散射器難以設計這一問題,以二維柱形結構為例,利用石墨烯等離激元共振提出了實現(xiàn)深亞波長超散射的方法。然后將石墨烯等離激元共振推廣到三維球形結構。最后基于共振疊加的原理進一步提高超散射器的性能,并分析了限制性能提高的因素。4.建立了基于石墨烯等離激元的非線性散射理論。利用非線性散射模型,針對非線性等離激元器件的輸入功率過高這一問題,研究了低入射強度下的雙穩(wěn)散射現(xiàn)象。另外發(fā)現(xiàn)雙穩(wěn)散射的開關閾值受限于石墨烯中載流子的弛豫時間。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;O441
【部分圖文】：

—?Ａ?Ａ?Ａ?Ａ??Ｍｅｔａｌ??圖１－１表面等離激元示意圖％。??Ａｔ�。ǎ�??八??ａａａＡＡＡ／?ｖ?．??圖１－２當Ｂ／矽３?＝?１時，艾里波包的概率密度［１２】。??場分量，表面等離激元是一種橫磁（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｍａｇｎｅｔｉｃ，?ＴＭ）波。另外，作為一種表面波，??電磁場強度在界面處最強，遠離界面時以指數衰減。由于在垂直界面方向上，模場尺寸可??明顯小于光波長，等離激元學兼具電子技術和光子技術的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)高速、小型化、??集成化的等離激元芯片［｜１］。??下面將介紹等離激元學中的三個典型概念：艾里等離激元、超散射、非線性等離激??元，并指出它們的發(fā)展所分別面臨的科學難題。本論文的研究內容將主要圍繞這幾個概念??展開。??１．２．１艾里等離激元??艾里光束（Ａｉｒｙ?ｂｅａｍ）的概念最早起源于量子力學。在量子力學中，質量為ｍ的粒??子所滿足的薛定譚方程（Ｓｃｈｒｂｄｉｎｇｅｒ?ｅｑｕａｔｉｏｎ）為??ｈ２?ｄ２＾?．ｈｄ＾ｐ?？?，，??￣２＾ｄ＾?＝?ｌｈ￣ｄｉ＇?（１４）??令ｔ?＝?０時的波包為??作

?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根據方程（１－３），可明顯看到｜別２在傳播方向上不發(fā)散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如圖１－２所示。??隨后，根據量子力學中薛定諤方程與經典光學中傍軸波方程間的類比，艾里光束的概??念從量子力學擴展到了經典光學［１３，１４］。平板光束的電場包絡的傳播動力學可用如下形式的??１＋１維傍軸波方程來描述??，〇４＞?１?ｄ２（ｊ）?ｎ??ｉ—?ｈ???＝?〇?（１－５）??處?２?？９ｓ２?，?Ｕ?；??其中ｓ?＝?ｘ／ｘ０代表無量綱的橫向坐標，；ｒ〇是任意橫向尺度，＃牐劍壥槍橐換?拇?ィ崳?距離，ｆｃｚＳＴｒｎ／Ａｏ是光波的波數。在系統(tǒng)輸入￥?＝?〇處，有限能量的艾里光束為??＝?０）?＝?Ａｉ?（ｓ）?ｅｘｐ?（ａｓ），?（１－６）??其中正值的衰減因子ａ用來截斷負無窮處的場振幅

ｓ?ｓ??圖１－３在＜?＝０處有限能量艾里光束的（ａ）歸一化場分布和（ｂ）歸一化強度分布，其中ａ?＝??０．１?間。??或者，也可以利用艾里函數的積分表達式將解（１－３）用平面波展開為??＾２／３?ｒ＋〇〇?ｈｋ２ｔ，ｎ２ｋ３＇］??＾｛Ｘ）ｔ）?＝?／?ｄｋｅｉｋｘ￣＾＋＾）．?（１－４）??２ｔｔｉｊ?Ｊ—００??根據方程（１－３），可明顯看到｜別２在傳播方向上不發(fā)散，并且以加速度５３／（２ｍ２）向正ｘ??方向加速，如圖１－２所示。??隨后，根據量子力學中薛定諤方程與經典光學中傍軸波方程間的類比，艾里光束的概??念從量子力學擴展到了經典光學［１３，１４］。平板光束的電場包絡的傳播動力學可用如下形式的??１＋１維傍軸波方程來描述??
【參考文獻】

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1 XU Su;WANG Yong;ZHANG BaiLe;CHEN HongSheng;;Invisibility cloaks from forward design to inverse design[J];Science China(Information Sciences);2013年12期

本文編號：2888452