基于超材料实现等离激元诱导透明及其性能的研究

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1、学校代码10459学号或申请号201512131618密级硕士学位论文基于超材料实现等离激元诱导透明及其性能的研究作者姓名：田雨宸导师姓名：范春珍学科门类：工学专业名称：光学工程培养院系：物理工程学院完成时间：2018年5月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityfortheDegreeofMasterRealizationofPlasmonInducedTransparencywithMetamaterialsanditsElectromagneticPropertiesByYuchenTian

2、Supervisor:AssociateProf.ChunzhenFanOpticalEngineeringSchoolofPhysicalScienceandEngineeringMay,2018摘要摘要超材料是一种新型的人工材料，通过对周期性结构单元的设计，使其获得自然界常规材料所不具备的超常物理性质。超材料的尺寸通常在微米或纳米尺度，易于制备成集成器件。因此，超材料在电磁学、热学、材料学以及能源应用领域都具有广泛的应用前景。表面等离激元指的是当电磁波入射到金属表面时，其自由电子与入射电磁波耦合，产生周期性的集体振荡。将超材料

3、与金属材料的等离激元相结合可实现类似于电磁诱导透明的现象，即等离激元诱导透明。该设计可大大降低实验所需的条件，并且可以灵活地操控EIT效应，使得等离激元诱导透明成为近年来研究的热点。本文基于COMSOLMultiphysics的计算方法理论设计和研究了两种不同类型的超材料结构实现等离激元诱导透明，分别为可见光波段金属结构的超材料透射器和太赫兹波段石墨烯超材料透射器，得到以下研究结果：1.基于三个相同金属环结构的超材料实现可调节的等离激元诱导透明（PIT）现象，通过旋转或者平移中间的圆环，可以调节PIT窗口的开和关，并且两种调控方式

4、会产生不同的光谱效应。平移中间圆环时，两个透射波谷分别向高频域和低频域两个方向移动，即透射峰的高度增加并且变宽；旋转中间圆环时，透射峰的位置和宽度都保持固定，只有透射峰的高度增加。电偶极子和四偶级子共振模式之间的相消干涉揭示PIT效应产生的原因，并用两个耦合谐振器模型从理论上解释了PIT效应的耦合机制。该结构在可见光波段的最大群折射率可以达到352，具有一个显著的慢光效应。通过改变圆环的主半径和外半径，可以调节透射峰的位置。2.基于自不对称H型石墨烯的二维平面超材料，通过调控入射光电场的极化方向实现可调节的等离激元诱导透明（PIT

5、）现象。在不改变任何结构参数的情况下，只需改变极化角度即可实现从透射（PIT模式）到不透射（偶级子模式）的变化。利用磁偶极子感应耦合和相位耦合揭示了PIT模式的起源。进一步改变石墨烯的费米能，透射峰的透射频率与振幅均可得到有效的调节，最大调制深度可以达到60.7%。基于这种结构设计的传感器件，对基底折射率的灵敏度可以达到5619.56nm/RIU。关键词：超材料；等离激元诱导透明；石墨烯；相消干涉；慢光效应；光学滤波器1AbstractAbstractMetamaterialisanewtypeofartificialmateri

6、al.Throughthedesignofperiodicunitstructure,itcanobtaintheextraordinaryphysicalpropertiesthatarenotpossessedbytheconventionalmaterialsinnature.Andthesizeofmetamaterialsisusuallyatmicrometerornanometerscale,soitiseasytomakeintegrateddevices.Therefore,metamaterialshasawi

7、derangeofapplicationinfieldssuchaselectromagnetics,thermals,materialsscienceandenergy.Whenelectromagneticwavesareincidentonthemetalsurface,itsfreeelectronsarecoupledwiththeincidentelectromagneticwavestogenerateperiodiccollectiveoscillations,formingsurfaceplasmons.Comb

8、iningmetamaterialswithplasmonstoachieveaphenomenonsimilartoelectromagneticallyinducedtransparency,namelyplasmoninducedtransp