基于单层石墨烯的复杂系统中古斯-汉森位移的增强研究

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当一束有限宽度的光束从第一个介质入射到第二个介质中时,反射光束和入射光束保持在同一平面上,但反射光和入射光的波心在第二个介质表面不重合。这种现象被称为古斯-汉森(Goos-H(?)nchen,GH)位移。单层石墨烯作为首个进入大家视野中的二维材料,自然地,其GH位移已经得到研究。人们惊叹于其仅仅以二维原子层即可实现光学响应,所以希望在更复杂的系统(基于石墨烯的不同结构)中研究GH位移。在众多有关于GH位移的工作中,我们发现基于光栅结构的导模共振(Guide Mode Resonance,GMR)的激发以及基于金属的表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)或表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的激发可以使得复合结构的GH位移得到增强。因此,我们所设计的结构皆以实现这些共振的激发为目标,进而获得更大的GH位移。本文利用严格耦合波分析法、传输矩阵法和静态相位法研究了基于单层石墨烯的复合结构的GH位移。本文的主要研究工作如下:首先,研究了一种由单层石墨烯、介电光栅层、金属层和一维光子晶体组成的复合结构下的GH位移,其振幅超过入射波长的7430倍。经分析可知GH位移增强的原因是结构中同时激发了SPR效应和一维光子晶体产生的波导模式。此外,我们发现这种复合结构中GH位移的正负号可以通过单层石墨烯的费米能级来控制。该研究为增强和控制其它复杂系统的GH位移提供了新平台。其次,计算了一种由两个介电光栅结构、石墨烯-介电材料周期性堆叠而成的结构组成的复合结构的GH位移。研究结果实现了复合结构在太赫兹波段下GH位移的放大,其位移值可达6200倍的入射波长。经分析得出GH位移的增强源于光栅层中出现了GMR,显著影响了反射系数的相位。随后,通过改变单层石墨烯费米能级、石墨烯-介电材料堆叠的层数以及该堆叠所在上下介电光栅中的位置、整个光栅结构的周期来探究该结构GH位移的变化。研究结果为新型光电传感器、光开关等的应用提供了理论指导。最后,针对一般多层光子晶体中的GH位移的幅值较小的情况,我们希望寻找其它类型的结构来增强GH位移。本工作探究了金属层、介电层和准周期光子晶体所组成的结构的GH位移,其中准周期光子晶体是由电介质材料和单层石墨烯以斐波那契数列的方式排列而成。结果表明该结构的GH位移因所激发的金属的SPPs成功地在指定的工作波长处实现了放大,其峰值可达到入射波长的7300多倍。我们还研究了单层石墨烯的光学参数、介电材料的厚度对位移的影响,证实了改变这些参数可以实现对GH位移的调控。该结果为光电探测器、传感器等光学器件的设计提供了可行的方案。
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