基于石墨烯超表面的太赫兹器件的特性及应用研究

摘要

这些年来,超表面器件已经成为学术研究的一个重要研究方向和热点。通常情况下,大多数超表面器件是由金属和介质结构组成,但是金属和介质超表面较差的动态调控性却限制了它们在光学方面的发展和应用。石墨烯作为一种由碳原子构成的六角形蜂巢晶格结构的二维材料不仅有优异的光学、电学、力学特性,并且在太赫兹波段具有如金属般负的介电常数,可以在太赫兹波段支持表面等离子体共振。另一方面,石墨烯的光学响应是由石墨烯的表面电导率所决定的,我们可以利用化学掺杂或者栅压调控的方法调节石墨烯的表面电导率。所以石墨烯逐渐成为构成新型可调控超表面器件的较佳选择。本文根据石墨烯和超表面相关知识和理论基础并借助有限元数值仿真方法重点研究基于石墨烯超表面的太赫兹器件的相关特性及应用。具体研究内容如下:
　　(1)设计了一种可以灵活调控太赫兹波的石墨烯超表面结构。石墨烯条带和入射光之间相互作用产生等离子体共振。在石墨烯的等离子体共振和介质层中提供的法布里珀罗共振共同作用下,通过改变石墨烯的化学势实现了对反射光接近2π的相位控制。在此基础上,我们通过排布一个合适的相位梯度,实现了一个可以调控偏转角的异常反射器。另一方面,我们利用连续的相位调制实现了一个聚焦超透镜,这种透镜具有较宽的工作带宽,小于半个波长的焦点直径和较大的数值孔径,具有非常优越的性能。并且这种石墨烯超透镜通过改变电压的方式就可以灵活的调控工作频率和焦距,具有非常灵活的调控性。
　　(2)设计了一种基于堆叠石墨烯超表面的可灵活调控双带宽透镜。通过分析发现石墨烯在非共振点处与入射光之间的相互作用很弱,这使得石墨烯在非共振点处相当于一种透明材料,对入射光几乎没有影响。因此,我们提出了堆叠结构的石墨烯超表面。上下两层石墨烯都可以对不同频率的入射光产生单独的响应,实现对不同频率的入射光实现接近2π的相位调控。我们利用连续相位调制实现了一个工作频率为3.5THz和7.0THz的双带宽可调控的聚焦超透镜。并且这种透镜可以利用改变栅压的方式对石墨烯的化学势进行调节,实现焦距的变化和焦点的左右移动,具有优越的性能和灵活的调控性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本章引言

1．2 超材料和超表面的概念及历史发展

1．3 石墨烯超表面简介

1．3．1 石墨烯的结构及性质

1．3．2 石墨烯超表面的研究进展

1．4 本文的主要内容及章节安排

1．5 本章小结

第二章 石墨烯超表面的工作原理

2．1 本章引言

2．2 表面等离子体理论

2．3 超表面的基础理论和设计方法

2．3．1 广义斯涅尔定律

2．3．2 超透镜的相位计算

2．4 石墨烯电导率模型和建模方法

2．4．1 石墨烯的表面电导率和调控方式

2．4．1 石墨烯的建模方法

2．5 本章小结

第三章 基于石墨烯超表面的太赫兹波前的动态调控

3．1 本章引言

3．2 器件结构及仿真模型

3．3．1 石墨烯超表面相位和振幅的控制

3．3．2 异常反射器

3．3．3 可调控的石墨烯超透镜

3．4 本章小结

第四章 基于石墨烯超表面的可调控的双带宽透镜

4．1 本章引言

4．2 基本结构和分析模型

4．3 基于堆叠结构的双带宽太赫兹透镜

4．3．1 工作频率下相位和振幅的控制

4．3．2 可调控的双带宽石墨烯超透镜

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况