基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属-介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,"MP")效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。     

等离激元增强金属-硅组合微结构近红外吸收

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78～2.50μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al₂O₃介质层的方法,利用FDTD软件仿真研究不同的组合结构及颗粒的直径对光吸收率的影响,分析不同的工作波长下组合结构中特征截面的光强分布。实验结果表明,当光栅线/间比为1∶1、周期为1μm、周期凹槽内放置两层直径为0.25μm的金属Ag颗粒、且凹槽内金属颗粒上方填充覆盖Al₂O₃介质层时,该组合微结构在近红外波段范围内的平均吸收率理论上可达到0.463,实现吸收增强的效果。在光电转换器件的应用方面,金属颗粒-硅光栅-介质层组合微结构可以增强光吸收,进而提高光电转换效率。     

基于纳米金属-石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明

提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合,可以实现在单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应.其次,通过改变石墨烯的化学电位势,可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性.当化学势增大时,各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大,发生蓝移.此外,随着化学势增加,银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强.同时,银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强.因此,各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小,振幅调制深度逐渐增大.进一步研究了单频段PIT模型的传感特性,该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU.这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.     

二维有限元方法研究石墨烯环中磁等离激元

石墨烯等离激元是决定石墨烯光学性质的重要元激发,拥有一系列优异的特性,其通过外置电场的动态可调性最引人注目;石墨烯具有很强的磁场响应(如室温观测的量子霍尔效应),因而磁场可作为一个新的调控自由度,形成的准粒子叫作石墨烯磁等离激元.鉴于石墨烯的二维属性,石墨烯磁等离激元的研究大多采用三维近似,即将石墨烯等效成厚度很薄的三维块材,该处理方案需消耗大量的计算资源.本文在准静态近似下,围绕库仑定律和电荷守恒定律,构建了高效的二维有限元方法,自洽地求解石墨烯面内的积分微分方程,并提出本征值损失谱表征准粒子的激发.利用二维有限元方法,探讨了4类石墨烯环中磁等离激元的激发;最低阶的偶极共振都支持磁等离激元的对称劈裂,在孔很小时,其对模式劈裂的影响可忽略,但当孔的尺寸变大时,内外边界的相互作用将抑制模式劈裂,并最终导致其消失.     

基于磁激元的嵌套环超材料吸波器的吸收特性

多频段超材料完美吸波器的设计在多色光学领域具有重要意义。提出一种多频段金属-绝缘层-金属超材料吸波器,其表面电磁响应单元为三圈嵌套的金属环阵列,采用时域有限差分方法计算结构单元的吸收光谱和电磁场密度分布。结果表明:该结构单元在1.44,2.28,3.25μm处分别实现了98.5%、99.6%和99.9%的吸收率,物理机理为磁激元共振激发。系统分析结构几何参数对共振的影响,通过改变金属环的直径和高度,可以对不同的共振进行独立调控。该结构单元的吸收光谱对入射光极化角度具有良好的稳健性。并进一步分析了超材料吸波器的传感特性,其最大品质因数高达8.3 RIU~(-1)(RIU为折射率单元),对应的灵敏度为1.08μm·RIU~(-1),表现出优良的红外传感性能。该吸波器可应用于传感领域,亦可为其他超材料的设计带来新启示。     

基模磁激元诱导的多带完美吸收

本文提出一种方向不敏感多带吸收的新结构,即结合光学声子色散材料及无色散介电材料,将其作为单一尺寸金属/介质/金属微光栅的介质分离层.在红外大气窗口波段激发了基模磁激元谐振因此导致多频带吸收.基于有限元方法求解了混合结构的吸收率及电磁场分布,并研究了入射角及结构参数的变化对多峰值吸收的影响.考虑到磁激元的本质是由金属光栅...     

金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学.位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少.该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间...     

石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景

石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性, 引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支--石墨烯表面等离激元光子学. 本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质, 包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等. 在此基础上, 进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用, 比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.     

基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元滤波器的研究

提出了一种基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元波导滤波器, 并且用时域有限差分法研究了这种结构. 单个齿形的滤波器可以实现带阻滤波, 其滤波特性可以用基于散射矩阵的解析模型解释. 滤波器的透射谱特性可以通过调节齿的长度、宽度以及石墨烯的化学势来改变. 由于石墨烯的化学势可以用门电路来调节, 这种结构的滤波器可以在器件加工完成后灵活地调节其工作波长. 同时研究了多齿滤波器, 这种结构可以实现宽带滤波, 文中对具有不同齿数、周期的滤波器的透射谱进行了细致的研究. 研究结果对实现基于石墨烯的大规模集成光电子器件提供了重要的理论参考.     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

Tuning infrared absorption in hyperbolic polaritons coated silk fibril composite

Advanced textiles for thermal management give rise to many functional applications and unveil a new frontier for the study of human thermal comfort. Manipulating the coated quasi-particles between the composite components offers a platform to study the advanced thermoregulatory textiles. Here, we propose that coating the hyperbolic polariton can be an effective tool to tune infrared absorption in hexagonal boron nitride-coated silk composite. Remarkably, we achieve significant tuning of the infrared absorption efficiency of silk fibrils through the designed hexagonal boron nitride film. The underlying mechanism is related to resonance coupling between hyperbolic phonon polaritons. We find a notably high infrared absorption efficiency, nearly 3 orders larger than that without hBN coating, which can be achieved in our composite system. Our results indicate the promising future of advanced polariton-coated textiles and open a pathway to guide the artificial-intelligence design of advanced functional textiles.     

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.     

基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.     

Influence of external magnetic field on magnon-plasmon polaritons in negative-index antiferromagnet-semiconductor superlattices

The peculiarities of the negative refraction in periodic multilayered antiferromagnet-semiconductor nanostructures are investigated in the presence of an external magnetic field parallel to the plane of the layers. Effective material tensors are obtained using method of anisotropic homogeneous medium. Dispersion and energetic relations for the mixed magnon-plasmon polaritons are investigated in the case of the Voigt geometry. Frequency regions of anomalous dispersion are found and studied in various regimes of the applied magnetic field. The necessary conditions are found under which the structure behaves as a left-handed negative-index metamaterial. Analytical expressions for the frequency-dependent phase and group refractive indices are obtained.     

Optical isolator based on nonreciprocal coupling of two Tamm plasmon polaritons

In this paper, we have studied the one-dimensional photonic crystal (PC) including a magneto-optical metal defect using the developed transfer matrix method for magnetic materials. Around the two interfaces between metal and one-dimensional PC, two nonsymmetric Tamm magneto-plasmon polaritons may be excited and coupled. The coupled states take on a clear nonreciprocal behavior and result in nonreciprocal transmission. The results are demonstrated through electromagnetic field distribution simulations based on finite element software. It provides a useful reference to realize optical isolator design.     

Effective-medium approach for surface-localized magnetic polaritons in magnetic (ferromagnetic and antiferromagnetic) superlattices

The general effective-medium dispersion relations are derived for surface-localized magnetic polaritons which propagate parallel to the surface between a superlattice and semi-infinite bulk material, as applied to ferromagnetic and antiferromagnetic superlattices, in the situation when a static magnetic field is applied in the plane of the layers and parallel to the magnetization. The dependence of the energy of the surface waves on the volume fraction of the ferromagnetic superlattice component and the influence of the external magnetic field on the spectrum of the surface magnetic polaritons for the antiferromagnetic superlattice are investigated. The spectrum of the surface-localized magnetic polaritons which appear at the junction of the magnetic (ferromagnetic and antiferromagnetic) superlattice with the magnetic material are more complex, in contrast to the cases of semi-infinite magnetic material or semi-infinite magnetic SL. It is essential that in all cases in the presence of the external magnetic field the spectrum of the magnetic polaritons are non-reciprocal. The properties of surface polaritons are discussed in detail for the system ferromagnetic superlattice (YIG/non magnet)/YAG and the antiferromagnetic superlattice (MnF₂/ZnF₂)/FeF₂.     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW^-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

Surface plasmon polaritons on square-lattice arrays of three-fold symmetric nanostructures

The influence of the geometry of three-fold symmetric rotor shaped nanostructures arranged as a two-dimensional square-lattice on the excitation of surface plasmon polaritons (SPPs) is studied numerically. We consider SPP-related extrema of the far-field reflectivity R(α) as a function of the polarization angle α of the incident light. In agreement with recent experimental work, it is observed that these extrema shift away from α=0° and α=90°, where they are found for rotationally invariant nanostructures. The polarization angle corresponding to the most efficient SPP excitation is found to be independent of the shape of the individual nanostructures. We further investigate the influence of the shape and size of the nanostructures and discuss consequences for optical near- and far-field properties.     

周期地嵌入电介质球壳的金属表层的表面等离子激元及其与电介质腔体模式的耦合

通过观察金属底板中周期地嵌入电介质球壳的体系的光学吸收性质，研究了表面等离子激元 以及与其他电磁模式的耦合特性.在这种周期结构的金属表面，发现存在两种响应频率，分 别对应于表面等离子激元模式和金属中的电介质腔体模式.在这些响应频率上，可观察到与 它们相对应的吸收峰.由于金属的表面模式不能与平面入射光直接耦合，而腔体模式与平面 入射光和表面等离子激元模式的耦合一般较弱，因而通常情况下这些吸收峰的峰值有限.然 而，通过调整体系中的某些参数，可以使腔体模式和表面模式的频率非常接近，这时二者之 间的耦合强度将大大提高.此时，在相应的频率附近可观察到极强的吸收峰.详细地研究了介 质球壳的物理和几何参数对此共振吸收的影响. 关键词： 腔体模式 表面等离子体模式 共振吸收     

基于电光聚合物的表面等离激元调制器

基于电光聚合物,提出了一种结构简单,尺寸小,效率高的表面等离激元(SPP)调制器.该调制器采用M-Z干涉仪结构的金属波导,金属周围是均匀极化后的电光聚合物,通过在金属波导两臂间加电压对聚合物折射率进行调制,折射率调制再通过M-Z干涉仪结构转化为对金属波导中SPP强度的调制. 通过求解金属波导附近的电场分布,并结合SPP场分布的特点,在理论上说明了这种结构可以通过外加电压有效地调制金属波导输出端SPP的强度,调制所需的半波电压约为2.8V. 关键词： 表面等离激元 电光调制 电光聚合物