石墨烯表面等离激元增强吸收及光束调控特性研究

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在亚波长和纳米尺度调控光的传输是实现光子集成的关键环节。目前研究较多的方案是利用人工微纳结构如光子晶体和光学超材料控制光的传输。二维材料的出现为纳米尺度调控光的传输提供了一种新的可能,做为一种典型的二维材料,石墨烯具有非常独特的电学光学性能。在远红外和太赫兹波段,石墨烯能支持表面等离激元的传输,且石墨烯表面等离激元具有许多优良的性能如大的模场局域和低的传播损耗,因此为纳米尺度光的调控提供了良好的途径和平台。本文主要研究了石墨烯褶皱结构的光吸收增强和石墨烯波导阵列表面等离激元光束的传输调控。利用石墨烯表面等离激元的局域共振效应,我们设计了曲面石墨烯结构实现了对入射光的吸收增强。通过构造非周期的石墨烯波导阵列,研究了对表面等离激元光束传输路由效应。另外我们通过构造具有不同周期的石墨烯波导阵列异质界面,实现了表面等离激元光束的负折射。具体的研究内容如下:首先,我们研究了具有褶皱结构的石墨烯曲面的光吸收增强特性。通过激发石墨烯的表面等离激元的局域共振,能够显著的增强石墨烯对光的吸收,单层吸收可达到53%。我们分析了石墨烯曲面的几何参数、化学势和入射角等参数对吸收的影响。结果表明,当曲面起伏增加时,吸收峰的波长发生红移。改变入射光的角度几乎对吸收峰的波长不产生影响,但是会发生高阶振荡,产生高阶的吸收峰。本研究揭示了表面等离激元共振对褶皱石墨烯结构吸收特性的影响,有助于理解石墨烯表面等离激元的激发和共振吸收等基本性质。我们还通过构造由不同的层间距或不同的化学势组成的准周期石墨烯波导阵列,实现了深亚波长、低损耗、无衍射的表面等离激元光束路由效应。研究发现,光线可以在该准周期石墨烯阵列中被加速或减速,还可以被展宽或压缩。光束的波前平行于传播方向。准周期阵列光束路由效应为亚波长尺度的光束传输调控提供了可能。此外,利用两个不同周期的石墨烯阵列形成异质结构,在其界面上能产生表面等离激元负折射。当表面等离激元在界面处折射时,折射角取决于阵列的周期比。通过改变阵列周期比和入射光的布洛赫动量,表面等离激元光束可以发生负折射、正折射,还可以垂直于界面传播。由于石墨烯阵列的衍射曲线具有线性衍射关系,因此入射光束和折射光束能无衍射的传播。该结构可应用于亚波长空间光束调制器,光学分束器和光开关等。
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