石墨烯離散波導(dǎo)陣列成像與光束調(diào)控特性.pdf

1、超構(gòu)材料通過亞波長微結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以實現(xiàn)等效電磁參數(shù)調(diào)控，從而實現(xiàn)超構(gòu)材料與光波作用方式的調(diào)控。光波在其中傳輸時，會出現(xiàn)許多在自然材料中所沒有的超常光學(xué)現(xiàn)象。通過對這些現(xiàn)象的研究，在光信息處理以及全光互聯(lián)網(wǎng)等方面具有重要的理論和應(yīng)用價值。
　　為了突破衍射極限，基于表面等離激元(SPPs)的超構(gòu)材料逐漸引起了廣泛的關(guān)注。而以石墨烯為載體的陣列結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的金屬陣列具有更多優(yōu)勢。對于中紅外波長區(qū)的SPPs，石墨烯對其約束更強而損耗更小

2、。除此之外，石墨烯材料的可調(diào)控性也是金屬材料所不具有的。
　　本論文中，分別以耦合波理論和頻域有限差分方法對表面等離激元在石墨烯陣列中的成像與傳播調(diào)控特性進行了對比分析，理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果吻合的較好。主要的研究成果如下：
　　(1)提出將耦合波理論用于解決在弱耦合條件下石墨烯陣列中表面等離激元的傳播問題。建立了適用于石墨烯波導(dǎo)陣列的耦合波方程。并通過編寫頻域有限差分方法(FDFD)計算程序驗證了該理論的正確性，為研究表面

3、等離激元在石墨烯陣列中的傳播提供了有效的理論支持。
　　(2)首次提出了在弱耦合條件下石墨烯陣列中存在的離散表面等離激元泰伯效應(yīng)。與連續(xù)的表面等離激元泰伯效應(yīng)相比，泰伯距離可以通過調(diào)節(jié)石墨烯陣列的化學(xué)勢和層間距而改變。泰伯距離可以縮小至入射波長的二十分之一，這是由于相鄰波導(dǎo)中表面等離激元之間的耦合作用造成的。這種離散的表面等離激元泰伯效應(yīng)在亞波長成像設(shè)備的制作方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　(3)利用化學(xué)勢漸變和介質(zhì)寬度漸變兩

4、種不同結(jié)構(gòu)的石墨烯陣列產(chǎn)生SPPs的空間布洛赫振蕩。在這兩種石墨烯陣列中，與傳播方向垂直的方向上均有SPPs傳播常數(shù)的梯度。第一種陣列中SPPs傳播常數(shù)梯度是通過逐漸變化每個石墨烯的介電常數(shù)而獲得。我們利用耦合波理論解析地得到了多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs在陣列中的強度分布，展現(xiàn)了振蕩模式的SPPs空間布洛赫振蕩效應(yīng)。用頻域有限差分法模擬不同激發(fā)方式下SPPs在這兩種波導(dǎo)陣列中傳播，獲得了與耦合波理論相吻合的結(jié)果。第二種石墨烯陣列通過逐漸變

5、化石墨烯之間的介質(zhì)層寬度而獲得 SPPs傳播常數(shù)梯度，同樣用FDFD模擬了多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs在波導(dǎo)陣列中的強度分布。不同與前一種情況，多波導(dǎo)激發(fā)方式下SPPs僅呈現(xiàn)了簡諧振蕩效應(yīng)。
　　(4)我們首次提出了在雙周期石墨烯陣列中存在表面等離激元的顫振效應(yīng)。通過傳輸矩陣方法和耦合波理論精確得到了該結(jié)構(gòu)中SPPs的衍射曲線和帶隙結(jié)構(gòu)。用頻域有限差分法模擬了SPPs在這種波導(dǎo)陣列中傳播圖像，獲得了與耦合波理論相吻合的結(jié)果。其顫振運動

6、的周期達到了微米量級而振幅也有幾十個納米，因而更便于在實驗上進行觀察。
　　(5)用800nm波長脈寬為50飛秒的激光器結(jié)合Z掃描方法研究了不同濃度的石墨烯溶液的非線性吸收和光限幅特性。樣品表現(xiàn)出的大的反飽和吸收來源于雙光子吸收機制。這種非線性特性導(dǎo)致當(dāng)入射激光能量大于0.3J/cm2時，石墨烯樣品歸一化透過率顯著減小，從而達到光限幅的目的。通過對不同濃度測量結(jié)果的比較，隨著濃度的增加，這種非線性吸收效應(yīng)逐漸增強，但當(dāng)濃度超過10