石墨烯双曲超材料中的太赫兹渡越辐射

本文理论预期了一种中心频率可调、高功率密度的宽频太赫兹辐射。研究表明,该辐射来源于自由电子垂直穿过多层石墨烯-介质复合结构时激发的表面等离子体激元的相互耦合。数值计算结果表明,该辐射所需自由电子能量极低;辐射频率几乎覆盖了整个太赫兹频段,其中心频率可通过调节石墨烯化学势进行调谐;且由于表面激元的场增强作用,该辐射场强较普通渡越辐射大两个数量级以上。因此,本文所提出的机理有利于开发小型化的宽频可调片上太赫兹辐射源。

双曲超材料及其传感器研究进展

超材料为具有超常电磁性质的人工结构,因拥有自然界材料没有的介电常数、磁导率和折射率等电磁性质而引起人们的关注.双曲超材料是具有强各向异性介电张量或磁导率张量的介质,其介电常数张量或磁导率张量的分量在一个或两个空间方向上为负,与其他类型的超材料相比,双曲超材料具有在光学频率下相对容易制造、宽带非共振和三维体响应以及灵活的波长可调谐性等优点.本文综述了双曲超材料的特性、实现方法、可调谐及活性以及其作为超灵敏传感器的发展,重点讨论了基于金属/介质多层结构及金属纳米线阵列的双曲超材料作为生物传感器的原理及研究进展,并指出双曲超材料传感器发展的长期目标是结构简单、便于制备、宽频带和多元分析.

石墨烯双曲超材料光学特性的研究进展

双曲超材料因其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景,其中金属材料构成的双曲超材料是近年来的一个研究热点,而用石墨烯代替金属构成的石墨烯-电介质超材料可以通过对入射电磁波频率和化学势的调节来实现双曲色散特性,其相比于金属-电介质双曲超材料和金属纳米线双曲超材料,具有更小的传输损耗、更小的结构体积并且更易于光电集成。该文对石墨烯-电介质双曲超材料在可见光、红外以及太赫兹等几个波段的光学特性学术工作展开调研,首先介绍石墨烯和双曲超材料的相关基础知识,进而针对石墨烯双曲超材料的介电常数、磁导率和折射率几个方面的调控机制来实现对光子行为的调控目的进行阐述,并介绍了相关应用。

基于光频双曲超材料的无标记远场超分辨显微成像

超分辨光学显微成像技术具有非接触、无损伤等优点。现有超分辨成像手段大多依赖荧光染料,限制其应用场合。近年来基于频谱平移原理的无标记远场显微成像手段被提出,但其分辨率受限于波导材料折射率。利用双曲超材料(hyperbolic metamaterials,HMM)的空间频率带通滤波特性,结合亚波长光栅,激发大面积均匀高频体等离激元(bulk plasmon polariton,BPP)照明场,得益于照明的高波矢量,物体的高频信息可以转移到传统成像系统的通带,为远场图像提供亚波长空间信息。基于该方法,采用0.85数值孔径标准物镜,532 nm波长下2.66k横向波矢的BPP照明中心距为100 nm双缝结构成像,横向分辨力提高至λ/5.32。进一步提高BPP的横向波矢可使分辨力提升至λ/7.82。该方法无需标记,便于与传统显微镜集成,为生物医学、芯片工业、材料科学等领域的应用提供了一种可视化的超分辨手段。

基于布鲁斯特模式的可调谐双曲超材料生物传感器

设计了一种可从自由空间激发布鲁斯特模式的可调谐双曲超材料生物传感器,采用相变材料二氧化钒(VO_(2))作为电介质,并使用传输矩阵方法仿真计算了其布鲁斯特角下的GH shift。在可见光波段低浓度溶液检测计算结果中得到了最高为6.75×10^(6)nm RIU;的灵敏度,并且通过改变VO_(2)的相态可以让传感器在两种不同灵敏度的工作模式中切换。这个设计思路为可见光高灵敏度可调谐生物传感器的发展应用提供了新的方向。

双曲超材料近场热辐射穿透深度研究

双曲超材料对近场辐射换热有新的影响模式,能够影响近场热辐射。本文研究了双曲超材料近场热辐射的穿透深度,考察了双曲超材料填充系数和不同类型双曲模式对穿透深度的影响。研究表明双曲超材料能够获得更大的穿透深度。这将为双曲超材料近场热辐射在热光伏和辐射制冷等领域的广泛应用提供理论基础。

平坦等频面双曲超材料的奇特电磁传输性

电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。

石墨烯双曲超材料的传输矩阵法优化及传输特性

基于等效媒质理论,分析了近红外波段的石墨烯-电介质多层膜结构双曲超材料(GDM-HMMs)的双曲色散关系,对传输矩阵法(TMM)进行了优化,计算分析了不同周期数下的石墨烯双曲超材料的透射谱。基于法布里-珀罗共振腔(F-P腔),理论分析了透射谱的演变规律,验证了石墨烯双曲超材料在近红外波段的双曲色散关系。研究结果表明,实现电磁波传输需要大切向波矢条件。结构总周期数影响透射谱特性,可用F-P腔理论进行分析和反向结构设计。

亚波长双曲超材料板表面反射光Goos-Hanchen位移

研究了亚波长双曲超材料板表面反射光Goos-Hanchen(G-H)位移增大、方向转换以及临界波长调制方法。基于等效介质理论和稳态相位方法系统计算了入射波长、填充因子以及背景介电常数等对G-H位移特性的影响。研究表明亚波长双曲超材料板不仅可以明显增大反射光的G-H位移,而且可通过改变入射波长实现G-H位移方向的转换。在正负G-H位移之间存在临界波长,入射波长小于此临界波长时G-H位移为正,反之为负;入射波长越接近该临界波长,G-H位移越大,反之越小。研究还发现临界波长可以由双曲超材料板的填充因子和背景介电常数调制,增大填充因子和背景介电常数可以使临界波长发生蓝移,反之发生红移。以上研究表明基于亚波长双曲超材料板表面的G-H位移在光隔离器、光学传感器以及集成光电器件应用中具有广阔的应用前景。

基于α-MoO_(3)超表面结构的古斯-汉欣位移

提出利用中心光束原理和有限元仿真软件设计的双曲超表面结构.这种设计的目的是在保持高反射率的同时,实现对反射光束的古斯-汉欣位移(GH位移)的精确控制.仿真结果表明,通过改变入射光的入射角度和α-MoO_(3)厚度等参数,可以实现高反射率和GH位移的调控.此外,还研究了TE波或TM波入射和晶轴取向对GH位移的影响.值得注意的是,在TE波入射时会出现显著的GH位移峰,并且可以通过改变晶轴方向来调整GH位移峰的位置.所设计的超表面结构对探索新型微纳光学器件具有重要意义.

hBN-石墨烯层状肋波导品质性能研究

利用COMSOL软件计算和模拟了波导的不同电场模式.发现导模的有效指数、传播长度和模态面积随波导的频率、宽度、高度、倾斜角度和石墨烯栅极电压的变化而变化.通过改变几何效应和材料参数,计算结果表明,当频率为2.57×10^(14)Hz时,脊波导段长度为400nm,高度为300nm,质量因子可达到7×10^(6),传播长度可达1.8um.该研究对低损耗纳米光子器件的设计具有重要意义.

基于CaF2/W多层膜人工双曲介质的近场热光伏器件

基于近场热辐射的热光伏器件是一种极具应用前景的热电转换器件.近场下由于倏逝波的隧穿作用,可以获得远超黑体辐射的热流及热电功率,此时辐射表面光子态密度是个关键因素.本文提出了一种具有高表面态密度的CaF2/W多层膜人工双曲介质作为辐射器,可以针对有限温度热源获得高效热电转化效果.采用禁带宽度为0.17 eV的锑化铟p-n结作为接收端,在200 K温度差和50 nm近场间隙下,理论上计算获得了超过1 kW/m的高发电功率,热电转化效率在11%以上,显著高于热电材料的能量转换效率.与纯钨热源情形相比,双曲介质具有更高的倏逝波态密度,有助于显著增强辐射热流与能量利用率.进一步研究发现,当多层膜双曲介质厚度超过140 nm时,基底的影响已经可以忽略,这对器件的实际制作非常有益.相对于纳米线阵列或自然双曲介质,本文提出的多层膜结构在制作和带宽上具有明显优势,研究结果为近场热光伏的发展起到了促进作用.

基于角度独立的OTS的宽角度滤波器

光学Tamm态(optical Tamm states,OTS)是在两种介质的界面形成的一种光学界面态,光学Tamm态对光的控制和操作具有独到优势,因此在光子器件方面有着广阔的应用前景。但是由于对电磁波的入射角度敏感,也限制了其在某些方面的应用。双曲超材料是一种各向异性的超材料,具有独特的色散关系。基于双曲超材料实现的相位变化补偿效应,利用金属-DBR(分布式Bragg反射镜)结构,实现了不依赖角度的光学Tamm态,进而实现了宽角度的滤波器。