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《北京交通大学》 2019年
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表面等离激元类电磁感应透明与相关器件研究

魏步征  
【摘要】:电磁感应透明(EIT)是一种利用耦合光降低多能级原子系统对泵浦光的吸收强度,在强烈的吸收峰附近实现高透射率,即对入射泵浦光“透明”的现象。这种现象的应用场合具有较大的现实意义,例如无粒子数反转激光和慢光效应等等。得益于表面等离激元光子学和超材料学的发展,这种在量子光学领域实现条件异常苛刻的现象可以转移到传统光学领域构造类似物。而这些类似物的尺寸大都在亚波长尺度,可以解决微结构中的光通断控制、光速调控、光存储设计、非线性和折射率传感测量等问题,是未来纳米光子学芯片的可选功能化结构单元之一。基于这样的背景和意义,本论文总结了类EIT研究的演进过程并自行归纳类EIT器件的构造方法,对微纳类EIT器件的构造原理进行了详细的区分和定量阐释。由于实验条件的限制,本论文的工作主要使用了解析分析法和数值仿真实验计算法开展研究,包括表面等离激元相关电磁理论、时域耦合模理论、转移矩阵法、时域有限差分法和有限元分析法等等。该论文的主要创新点分为以下几个方面。在同侧双谐振环耦合模型中,设置明暗模式的不同距离,利用明暗模式被激发的路径间的相消干涉,取消明模式,激发暗模式,极大程度上削弱了原单谐振腔产生的强烈吸收,使得该结构对此波长和相邻波长的入射光“透明”。利用时域耦合模理论和转移矩阵法,结合数值仿真,剖析了各尺寸要素对透明窗口透过率和窗口宽度的影响,并计算出在透明窗口中,光速被减慢。利用与赤池信息标准鉴别法,在该系统中提出了定量分析透明成因的方案,消除由只凭透明现象而产生的对透明成因的误解。在双石墨烯层包覆光栅结构类EIT的设计中,推导了与光栅高度有关的色散方程,指出谐振波长与光栅高度的定量关系并通过数值仿真计算加以验证。该模型利用双谐振原理,在两吸收峰之间“架起”透明窗口,亦在窗口中实现了慢光效应。基于石墨烯优良的调谐特性,可以实现工作波段的动态操控。同理,在该模型中,亦应用与赤池信息标准鉴别法区分透明的成因。如果将光栅横向周期设计为渐变型,可以实现所谓“彩虹陷阱”类分布式光存储应用。在双侧谐振环耦合的研究中,利用双谐振原理,构造透明窗口,探讨该结构中不同模式的透明,验证了高阶模透明的高灵敏性。在双石墨烯纳米带包覆基底的研究中,实现了宽带、高透过率的透明,亦可在该结构中制造“彩虹陷阱”类的应用。另外,除了三大传统方法,本论文还提出了利用U型通道连接法、内外对称谐振子构造法和混合型构造法制造透明的方案。在U型隧道连接法中,通过人为制造干涉通道来增强透射率,在原谐振吸收峰附近打开光通路。在内外对称谐振子构造法中,不需要打破对称性即可构造透明,利用内谐振子的类暗模式谐振与明模式干涉形成透明。而在混合型构造法中,利用对称性破缺、明暗模式和双谐振子法三种原理的混合,制造了一个透明窗口。三种小众设计均涉及慢光和传感方面的探索。除了类EIT器件,本论文还提出了利用石墨烯局部可变的费米能级实现表面等离激元纳米聚焦,将入射光聚集在一个光斑直径不超过2nm的区域,场强在此处得到成倍增加。提出利用边界等离激元模式和传导等离激元模式形成谐振,加强对入射光的吸收而构造的钨金属覆盖脊型微纳吸收器。在经过优化后,吸收率最高可达99.9%。利用零介电常数模式的调制,可以有效拓宽一般单谐振吸收器的吸收带宽。提出利用零介电常数超材料配合一定的边界条件制造全反射和超透射效应,实现对入射光几乎百分之百的反射或透过,可以应用于电磁斗篷的设计。最后,提出可见光区带阻表面等离激元金属滤波器,通过谐振腔的级联,原则上实现了超高阻带宽度和超低透过率。总体来说,本论文主要围绕基于表面等离激元类电磁感应透明器件的设计展开,兼具其他几类微纳光学器件的设计与探索,是纳米光子学领域较为前沿且具有较大潜在应用空间的几个方向。结合当前较为成熟但还有待进一步提升的微纳加工工艺和技术,有理由相信文中所提出的思想和设计在未来能够推动集成微纳光子学的发展,真正应用到生活生产的各个行业,提高生产力。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O53;O441.3

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【参考文献】
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