基于过渡金属二硫化物的光机械晶体腔的吸收性质

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光机械系统可以实现对机械运动的光学调控和对光学自由度的机械调控,吸引了众多研究者的注意。常见的光机械系统由硅、砷化镓、氮化硅等材料制成,众多理论研究都是基于实验测量得到的谐振频率、衰减率和光机械耦合率等关键参数。随着凝聚态物理和材料学的进展,涌现出了很多适合于制备光机械系统的新兴材料。以过渡金属二硫化物(TMDC)为代表的二维半导体材料,其原子级平整的表面使其具有较高的光学和力学品质因子,可用于制备光机械系统。本论文以TMDC为例,构建了基于TMDC的光机械晶体腔,研究了光机械耦合相关参数和光机械吸收性质。我们的主要研究内容包括:使用第一性原理方法研究了TMDC体材料的电子结构、力学性质、光学性质和光弹性性质。光弹性性质反映了在机械形变下材料的折射率的变化,是光机械耦合的主要因素之一。研究结果显示,对TMDC的面内和面外方向分别加相同的应变时,面外方向的折射率变化更大,光弹性强度更大。在光机械系统中,除开光弹性效应,移动边界效应也会导致光机械耦合,我们分别研究了这两种效应的贡献。使用有限元方法模拟了基于TMDC的光机械晶体腔的光学场和机械场。研究结果表明,随着阴离子原子序数增大,腔和振子的特征频率减小,腔的品质因子增大,振子的品质因子减小,光机械耦合率的绝对值增大。当光场沿TMDC晶胞的面内传播时,机械振子被拉伸,当光场沿着面外方向传播时,机械振子被压缩。研究了光沿TMDC的面内和面外方向传播时光机械晶体腔的吸收性质。研究发现,当光沿面内方向传播时,光机械系统表现出明显的光机械诱导透明。当光沿面外传播时,则表现出光机械诱导放大,主要原因是此时腔的品质因子低,腔内光场的衰减率大,导致诱导透明的临界功率减小。综上所述,基于TMDC的光机械系统具有较好的光机械性质,我们的研究可为使用光机械耦合检测材料的性质提供理论参考,具有较大的潜在应用价值。
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