不同序特征等離激元微納結(jié)構(gòu)中模式耦合及吸收特性.pdf

1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的排列方式按照其內(nèi)部是否存在對(duì)稱性和相關(guān)性可以分為有序和無(wú)序兩種，同時(shí)根據(jù)有序結(jié)構(gòu)單元排列的對(duì)稱性和相關(guān)性是否為局域?qū)傩远枋鰹榫哂虚L(zhǎng)程有序特性和短程有序特性。隨著光子晶體的概念的引入，這些概念也同時(shí)被拓展到了光學(xué)領(lǐng)域中人工微納結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元排布的相關(guān)設(shè)計(jì)。論文在具有不同序特征的周期、準(zhǔn)周期、無(wú)序人工微納結(jié)構(gòu)中，通過(guò)引入金屬組分，研究了表面等離激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）相關(guān)的模式激

2、發(fā)、耦合、高效吸收、寬頻域多重模式耦合、類電磁誘導(dǎo)透明等過(guò)程，并通過(guò)引入非線性，理論上討論了非線性耦合、超低閾值光學(xué)雙穩(wěn)等現(xiàn)像。
　　論文首先在一維金屬光子晶體中系統(tǒng)分析了不同介質(zhì)厚度下，結(jié)構(gòu)中存在的Bulk等離激元（Bulk Plasmon Polaritons,BPPs）、腔模、長(zhǎng)程/短程等離激元（Long-range/Short-range Plasmon Polaritons,LRPs/SRPs）之間的演化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)B

3、PP模式分立的等效模式系數(shù)是倏逝波Bloch模式在Born-von Karman邊界條件影響下的結(jié)果。在石墨烯多層周期結(jié)構(gòu)中，同樣發(fā)現(xiàn)了類似的BPP模式和SRP模式分布特征。在雙層石墨烯結(jié)構(gòu)中考慮石墨烯非線性，得到了對(duì)稱、反對(duì)稱模式外的非對(duì)稱模式。非線性模式耦合理論說(shuō)明非對(duì)稱模式出現(xiàn)是非線性引起的傳播常數(shù)的變化同模式耦合對(duì)傳播常數(shù)的補(bǔ)償作用平衡的結(jié)果。
　　理論上研究了非對(duì)稱周期性褶皺金屬光柵結(jié)構(gòu)中的SPPs的激發(fā)，發(fā)現(xiàn)互不干擾的

4、雙側(cè)SPPs同時(shí)激發(fā)的現(xiàn)象，在透過(guò)率譜中表現(xiàn)為色散關(guān)系曲線的相互交叉。在近THz波段，研究發(fā)現(xiàn)了雙側(cè)石墨烯包覆二維矩形光柵結(jié)構(gòu)中石墨烯表面等離激元（Graphene Surface Plasmon,GSP）的激發(fā)頻率主要決定于相位匹配條件，并受到層間GSPs模式耦合的影響。激發(fā)強(qiáng)度受到占空比和光柵厚度的控制。在頻率范圍約5～12THz，具有多層石墨烯的二值光柵復(fù)合材料的光能吸收達(dá)到了近90％。
　　準(zhǔn)周期晶格是一種只具備長(zhǎng)程有序特

5、性而不具備短程有序特征的結(jié)構(gòu)，其通過(guò)犧牲短程有序換取倒格矢更好的對(duì)稱性和自相似性。長(zhǎng)程有序主要根據(jù)其衍射特性來(lái)確定，強(qiáng)調(diào)的是在長(zhǎng)距離范圍體現(xiàn)出來(lái)的關(guān)聯(lián)特性和對(duì)稱性；而短程有序則側(cè)重于局域范圍內(nèi)的周期性質(zhì)。本論文在準(zhǔn)周期方面的工作包括：在傳統(tǒng)的二維嚴(yán)格耦合模式分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)幕负筒牧暇仃嚨难b配方式，改進(jìn)了RCWA算法以適用于處理2D準(zhǔn)周期問(wèn)題；利用

6、準(zhǔn)周期光柵在倒空間具有多重對(duì)稱倒格矢的特性，研究了二維準(zhǔn)周期光柵/金屬/基底復(fù)合結(jié)構(gòu)中多重寬頻帶表面模式激發(fā)，在0.5～1.2μm，實(shí)現(xiàn)了TE/TM模式的多重響應(yīng)，最后給出了各個(gè)模式間的耦合特性。
　　無(wú)序結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要分支是一維隨機(jī)介質(zhì)，其典型結(jié)構(gòu)為兩種組分交替排列，但每層厚度隨機(jī)的結(jié)構(gòu)。一維隨機(jī)介質(zhì)的局域強(qiáng)度主要由特征參數(shù)局域長(zhǎng)度倒數(shù)表征，其正比于結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的局域能力，可以將其定義為局域強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)弱無(wú)序條件下，由兩種材料構(gòu)

7、成一維隨機(jī)介質(zhì)中局域強(qiáng)度存在半解析表達(dá)式。強(qiáng)無(wú)序性條件等價(jià)于隨機(jī)相位近似，存在全解析局域強(qiáng)度。隨著厚度的隨機(jī)分布的變化，弱無(wú)序條件下局域長(zhǎng)度將圍繞強(qiáng)無(wú)序極限下的結(jié)果波動(dòng)，且隨著無(wú)序程度的增大波動(dòng)減弱，直至局域強(qiáng)度逼近極限值。同時(shí)材料折射率的差別越大，局域強(qiáng)度越強(qiáng)。在弱無(wú)序條件下，兩種以上材料構(gòu)成的一維隨機(jī)介質(zhì)的局域性質(zhì)還受到材料排列次序的影響；強(qiáng)無(wú)序條件下，局域?qū)傩詻Q定于界面種類。最后利用一維無(wú)序介質(zhì)的完美反射特性，在金屬/一維隨機(jī)介質(zhì)