太赫兹多波段与可调谐的超材料电磁诱导透明特性研究

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电磁诱导透明是一种发生在三能级原子系统中的量子干涉效应,能使不透明的介质变为透明,使介质对探测光的吸收几乎为零。伴随该效应产生的慢光效应、折射率骤增等特性使其在光信息存储、折射率传感等领域有着巨大的应用价值。在传统的原子系统中,实现该效应通常需要超低温、强光抽运等严苛的实验环境,而利用超材料这种人工合成的电磁材料来模拟电磁诱导透明,不仅克服了这一困难,而且能够通过光控、温控、电控等方式实现可调的电磁诱导透明窗口,这大大拓展了电磁诱导透明的应用前景。本文在太赫兹频段内,对电磁诱导透明超材料展开研究,根据超材料实现电磁诱导透明效应的两种耦合方式,分别设计了以金属和石墨烯为主控材料的超材料结构,并仿真分析了其电磁响应特性与性能。主要研究内容如下:设计了一种明暗模耦合的电磁诱导透明超材料结构。通过四个开口谐振环与平面闭合方环的三维耦合,该结构于1.21 THz、1.46 THz、1.61 THz与1.98 THz产生了四个电磁诱导透明窗口,且谐振强度均达到0.9左右。通过拆分对比单元结构及表面电磁场分布,深入研究了实现多波段电磁诱导透明效应的耦合机理。讨论了超材料中开口谐振方环的开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。分析了该结构在慢光效应与折射率传感方面的应用性能。设计了一种明明模耦合的电磁诱导透明超材料结构。通过条形石墨烯结构与T形石墨烯结构实现明明模耦合作用,产生电磁诱导透明窗口。通过外加偏置电压改变石墨烯的费米能级,对透明窗口进行调节。探讨了超材料中单元周期、条形与T形石墨烯结构宽度、入射波极化角对电磁诱导透明传输响应的影响。调节石墨烯的费米能级,研究了该结构的群延时、折射率灵敏度、调制深度等性能指标。仿真分析表明,上述两种超材料均能够于太赫兹波段实现电磁诱导透明效应。第一种三维超材料结构能够实现多频点的高强慢光效应,其群折射率可达289.4,还具备多频段的高折射率灵敏度(658 GHz/RIU);第二种石墨烯超材料结构能够实现群延时高达173.13 ps的可调慢光效应以及折射率灵敏度为562.5 GHz/RIU的动态调控。因此,两种结构在光缓存与折射率传感领域都有良好的应用性能,为未来太赫兹器件的设计提供了新思路。
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