单层石墨烯古斯—汉森位移增强的研究

【摘要】：古斯-汉森位移(Goos-H(?)nchen shift,GH shift)是指入射光束在界面反射和透射时,实际反射光束和透射光束相对于几何光学预测的位置会产生一小段的横向偏移。近年来,单层石墨烯优越的力学、热学、光学及电学等性质使其迅速成为研究热点,它的出现为研究GH位移开辟了一个新方向。本文利用严格耦合波分析法和静态相位法系统地分析了基于单层石墨烯复合结构的古斯-汉森位移。本文的主要研究工作如下:首先,设计了一种基于单层石墨烯和一维介电光栅的复合结构,研究结果表明该结构可以使入射橫磁波的GH位移达500l。同时,我们揭示了复合结构GH位移的增强来源于一维介电光栅导模共振的激发。此外,通过调节单层石墨烯的化学势,能够使GH位移超过900l;通过改变光栅的几何参数,能够实现在不同入射角度下GH位移的增强。该研究结果为增强其它二维层状材料的GH位移提供了一种新方案。其次,设计了一种基于单层石墨烯和一维光子晶体的复合结构,研究结果表明电磁波射入该结构的GH位移达80l。接着我们揭示了复合结构GH位移的增强源于一维光子晶体结构增强了单层石墨烯与光的相互作用,显著影响了复合结构反射率的变化的结果。进一步地,通过选择性地调节单层石墨烯的化学势,能够实现GH位移正负号的变换。此外,通过改变一维光子晶体的几何参数,可以实现在不同入射角度下GH位移的增强。研究结果对于利用石墨烯复合结构应用于新型光电传感器、光开关等方面具有理论指导意义。最后,设计了一种基于单层石墨烯、介电和金属的多层结构,研究结果表明该多层结构可以使入射橫磁波产生巨大的负GH位移,可达-462l。与此同时,我们把产生巨大GH位移的原因归结于多层结构激发了金属表面等离激元。另外,通过调节单层石墨烯的化学势,可以实现GH位移进一步地增强和符号转换,最大正负位移分别可达947l和-2850l;通过改变多层结构的几何参数,不仅能够实现GH位移正负号的转换,还可实现在不同入射角度下增强GH位移。所设计的多层结构实现了GH位移的增强及符号转换,这为光电探测器、传感器等光学器件的设计与实现提供有益的指导和可行的方案。