基于劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)等離激元共振的電磁調(diào)控特性研究.pdf

1、表面等離激元是自由電子在光場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下沿金屬表面作集體振蕩形成的電磁模式。利用表面等離激元獨(dú)特的共振特性，可以對(duì)光的經(jīng)典和量子性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元共振依賴其幾何形狀和結(jié)構(gòu)尺寸。其中劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)(SRR)具有自然材料沒有的高頻磁響應(yīng)。利用這種結(jié)構(gòu)，人們可以實(shí)現(xiàn)包括負(fù)折射介質(zhì)在內(nèi)的各種新型功能材料，為控制光與物質(zhì)的相互作用提供嶄新的調(diào)控手段。
　　本文圍繞劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元共振進(jìn)行了如下研究:
　　1.用解析方法分

2、析了在半導(dǎo)體（銻化銦）劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)中，載流子濃度變化導(dǎo)致的劈裂環(huán)共振頻率的調(diào)諧特性。根據(jù)單層劈裂環(huán)的LC共振模型，我們得出了“相對(duì)頻率調(diào)諧范圍”這一概念的解析表達(dá)式。該解析式表明，相對(duì)頻率調(diào)諧范圍依賴于劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)中動(dòng)態(tài)電感與幾何電感的比值(RKG)?；谶@一結(jié)果我們進(jìn)一步提出了雙層劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)，并利用雙層劈裂環(huán)之間的磁耦合提高了RKG，從而得到了比單層劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)更高的相對(duì)頻率調(diào)諧范圍。由解析模型得到的相對(duì)頻率調(diào)諧范圍（包括單層和雙層結(jié)構(gòu)）與

3、FDTD仿真結(jié)果一致，證明了解析模型的正確性。
　　2.理論分析并實(shí)驗(yàn)制備了基于HEMT-SRR耦合結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器。改變結(jié)構(gòu)中的柵極電壓，可以有效調(diào)控HEMT(高電子遷移率晶體管)基底中二維電子氣的濃度，從而調(diào)節(jié)劈裂環(huán)對(duì)太赫茲波的透過率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)直流柵極電壓由0V增加至3V時(shí)，該調(diào)制器在0.57 THz的透過率由50％降至36％。當(dāng)施加交流柵極電壓時(shí)，利用該調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射太赫茲波的動(dòng)態(tài)幅度調(diào)制。實(shí)驗(yàn)測(cè)到的調(diào)制速率

4、高達(dá)10.6 MHz。該調(diào)制器在太赫茲通信中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　3.提出了一種基于劈裂環(huán)高階磁共振的光頻段負(fù)折射率結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明這種雙層劈裂環(huán)結(jié)構(gòu)在395 THz到430 THz頻段內(nèi)具有負(fù)折射率。并且該結(jié)構(gòu)在負(fù)折射率頻段內(nèi)具有較高的品質(zhì)因子(FOM=4.59)，說明結(jié)構(gòu)的吸收損耗比較小。我們還分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高階磁共振頻率的影響。這種結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)低損耗的負(fù)折射率光器件提供了一個(gè)選擇。
　　4.研究了一種基于“雙亮態(tài)