基于石墨烯超材料的太赫兹等离激元诱导透明现象研究 (1)

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1、基于石墨烯超材料的太赫兹等离激元诱导透明现象研究Thestudyofterahertzplasmon-inducedtransparencyeffectbasedongraphenemetamaterials一级学科：电子科学与技术学科专业：光电子技术研究生：赵晓蕾指导教师：姚建铨院士天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用

2、过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要超材料所表现出来的重大科研价值及在诸多前沿领域所呈现的革命性应

3、用前景使其得到了业界的广泛关注。通过合理的结构及材料设计，超材料可构造出自然界材料所不具备的特殊电磁性质，这可很好地用于克服太赫兹波段当前材料、功能器件稀缺的瓶颈。另外，石墨烯作为一种新兴的二维材料具有优异的可调控光电特性，是当前在太赫兹至中红外波段最具潜力的表面等离激元载体，在构造可调谐太赫兹超材料领域具有独特的优势。等离激元诱导透明现象是超材料领域的一个研究热点，它不仅规避了激发量子电磁诱导透明现象所要求的苛刻工作条件，还很好地克服了对材料以及工作频段的局限性。因此，本文主要以超材料的理论及实验研究为基础，结合二维材料石墨烯及光控半导体材料砷化镓等

4、，设计并研究了多种工作在太赫兹至远红外波段的可调谐等离激元诱导透明超材料，现将本论文的主要研究内容和创新点归纳如下：1.在超材料的数值计算、实验制备以及测试方法的研究中，提出了一种反向嵌套开口谐振环超材料结构，利用一种改进的等效参数法详细讨论了该结构在太赫兹正入射时的光学等效参数。实验方面，设计了一种变形的工字型超材料结构，并以此为例详细讨论了二维超材料剥离法的制备工艺及测试技术。样品的实验测试与理论仿真结果基本吻合，这不仅验证了制备技术的可靠性同时也证明了模拟结果的可信性。2.设计了两种基于石墨烯周期微结构的新型太赫兹可调谐等离激元诱导透明超材料。分

5、别利用石墨烯偶极子局域等离激元谐振模与耦合激发的LC谐振模、石墨烯单极谐振模之间的相消干涉效应，获得了显著的可调谐等离激元诱导透明窗口，实现了对器件群折射率的动态调控。3.提出了一种光栅耦合的双层石墨烯混合系统，在远红外波段实现了优异的可调谐等离激元诱导透明效应。该系统根据导模共振原理，将垂直入射电磁波通过衍射光栅耦合到由缓冲层分隔的两层连续石墨烯薄膜中，从而激发石墨烯表面等离激元，这有效地避免了对石墨烯薄膜的图样刻蚀。此外我们发现随着两层石墨烯逐渐靠近，诱导透明窗口的产生机制由EIT效应逐渐向ATS效应转变。4.研究了基于一种石墨烯-金属混合结构的等

6、离激元诱导透明超材料在太赫兹波段的生物传感特性。该器件透射谱不仅呈现出尖锐的Fano线型诱导透明窗I万方数据口且表现出良好的偏振独立性以及高灵敏的折射率传感特性，最高灵敏度可达3.04THz/RIU。另外通过控制石墨烯圆盘的费米能级可调节透明峰谐振频率，使其与被测物的集体振动模式重叠，从而进一步提高传感灵敏度。5.为了获得高Q等离激元诱导透明现象，我们将超材料与波导结构相结合，设计了一种工作在太赫兹波段的光控可重构的超材料-波导混合系统。通过在金属短线阵列的衬底中引入波导层，获得了两个高Q的等离激元诱导透明峰。通过嵌入光敏半导体砷化镓，实现了由双等离激

7、元诱导透明到超窄带导模共振滤波器的光控动态转换，导模共振滤波器Q值高达578。关键词：太赫兹波，超材料，石墨烯，等离激元诱导透明II万方数据ABSTRACTMetamaterialshavearousedextensiveattentionowingtotheirsignificantscientificresearchvaluesandrevolutionaryapplicationprospectsinmanycutting-edgeareas.Specialelectromagneticpropertiesnotfoundinnaturecanb

8、erealizedinmetamaterialsbymeansofrationalstruct