【摘要】：物質(zhì)結(jié)構單元的排列方式按照其內(nèi)部是否存在對稱性和相關性可以分為有序和無序兩種,同時根據(jù)有序結(jié)構單元排列的對稱性和相關性是否為局域?qū)傩远枋鰹榫哂虚L程有序特性和短程有序特性。隨著光子晶體的概念的引入,這些概念也同時被拓展到了光學領域中人工微納結(jié)構中結(jié)構單元排布的相關設計。論文在具有不同序特征的周期、準周期、無序人工微納結(jié)構中,通過引入金屬組分,研究了表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)相關的模式激發(fā)、耦合、高效吸收、寬頻域多重模式耦合、類電磁誘導透明等過程,并通過引入非線性,理論上討論了非線性耦合、超低閾值光學雙穩(wěn)等現(xiàn)像。論文首先在一維金屬光子晶體中系統(tǒng)分析了不同介質(zhì)厚度下,結(jié)構中存在的Bulk等離激元(Bulk Plasmon Polaritons,BPPs)、腔模、長程/短程等離激元(Longrange/Short-range Plasmon Polaritons,LRPs/SRPs)之間的演化關系。研究發(fā)現(xiàn)BPP模式分立的等效模式系數(shù)是倏逝波Bloch模式在Born-von Karman邊界條件影響下的結(jié)果。在石墨烯多層周期結(jié)構中,同樣發(fā)現(xiàn)了類似的BPP模式和SRP模式分布特征。在雙層石墨烯結(jié)構中考慮石墨烯非線性,得到了對稱、反對稱模式外的非對稱模式。非線性模式耦合理論說明非對稱模式出現(xiàn)是非線性引起的傳播常數(shù)的變化同模式耦合對傳播常數(shù)的補償作用平衡的結(jié)果。理論上研究了非對稱周期性褶皺金屬光柵結(jié)構中的SPPs的激發(fā),發(fā)現(xiàn)互不干擾的雙側(cè)SPPs同時激發(fā)的現(xiàn)象,在透過率譜中表現(xiàn)為色散關系曲線的相互交叉。在近THz波段,研究發(fā)現(xiàn)了雙側(cè)石墨烯包覆二維矩形光柵結(jié)構中石墨烯表面等離激元(Graphene Surface Plasmon,GSP)的激發(fā)頻率主要決定于相位匹配條件,并受到層間GSPs模式耦合的影響。激發(fā)強度受到占空比和光柵厚度的控制。在頻率范圍約5～12THz,具有多層石墨烯的二值光柵復合材料的光能吸收達到了近90%。準周期晶格是一種只具備長程有序特性而不具備短程有序特征的結(jié)構,其通過犧牲短程有序換取倒格矢更好的對稱性和自相似性。長程有序主要根據(jù)其衍射特性來確定,強調(diào)的是在長距離范圍體現(xiàn)出來的關聯(lián)特性和對稱性;而短程有序則側(cè)重于局域范圍內(nèi)的周期性質(zhì)。本論文在準周期方面的工作包括:在傳統(tǒng)的二維嚴格耦合模式分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)方法的基礎上,通過選擇恰當?shù)幕负筒牧暇仃嚨难b配方式,改進了RCWA算法以適用于處理2D準周期問題;利用準周期光柵在倒空間具有多重對稱倒格矢的特性,研究了二維準周期光柵/金屬/基底復合結(jié)構中多重寬頻帶表面模式激發(fā),在0.5～1.2μm,實現(xiàn)了TE/TM模式的多重響應,最后給出了各個模式間的耦合特性。無序結(jié)構的一個重要分支是一維隨機介質(zhì),其典型結(jié)構為兩種組分交替排列,但每層厚度隨機的結(jié)構。一維隨機介質(zhì)的局域強度主要由特征參數(shù)局域長度倒數(shù)表征,其正比于結(jié)構對光場的局域能力,可以將其定義為局域強度。研究發(fā)現(xiàn)弱無序條件下,由兩種材料構成一維隨機介質(zhì)中局域強度存在半解析表達式。強無序性條件等價于隨機相位近似,存在全解析局域強度。隨著厚度的隨機分布的變化,弱無序條件下局域長度將圍繞強無序極限下的結(jié)果波動,且隨著無序程度的增大波動減弱,直至局域強度逼近極限值。同時材料折射率的差別越大,局域強度越強。在弱無序條件下,兩種以上材料構成的一維隨機介質(zhì)的局域性質(zhì)還受到材料排列次序的影響;強無序條件下,局域?qū)傩詻Q定于界面種類。最后利用一維無序介質(zhì)的完美反射特性,在金屬/一維隨機介質(zhì)結(jié)構中激發(fā)了Tamm等離激元模式。利用一維隨機介質(zhì)的高Q值屬性,在金屬/一維光子晶體/一維隨機介質(zhì)復合結(jié)構中實現(xiàn)了類電磁誘導透明現(xiàn)象。結(jié)合Tamm等離激元的場增強效應和異常共振透射增強,在金屬/一維隨機介質(zhì)中得到了超低閾值雙穩(wěn),轉(zhuǎn)換閾值約44k W/cm~2。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O485

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1 記者 張Z，

本文編號：2256612