基于超构材料的可调类电磁诱导透明研究

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在三级原子能系统中,存在着一种重要的量子干涉现象,即电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency EIT)现象。这种现象表现为在传输曲线原来较宽的吸收区域中,会额外出现一个透明的窄带传输窗口,并且在窄带透明传输窗口范围内,传输曲线的相位会发生陡峭的改变。窄带透明传输窗口和相位陡变等特点使得电磁诱导透明现象在“慢光”器件设计、传感器件单元设计、光存储器件设计、量子开关器件制造等领域存在广泛的应用前景。然而令人惋惜的是,严苛的实验环境,例如低温和高强度泵浦激光等条件,为电磁诱导透明现象在实际环境中的应用施加了极大的限制。为了解决这些问题,利用超构材料来在较简单的环境中模拟实现电磁诱导透明现象的手段应运而生。为了与传统的量子干涉领域中的EIT现象做出区别,这种利用电磁超材料实现的电磁诱导透明现象,被研究人员另称为类电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency-like EIT-like)。通过超构材料实现EIT-like的方法最早由X.Zhang课题组的研究人员在太赫兹波段实现。通过这种实现手段使得研究者们在室温下就可以获得类电磁诱导透明现象,并且也不需要高强度的泵浦激光激励源。更重要的是,使得EIT-like的可实现频段从光学波段可以向太赫兹和微波波段搬移,极大的方便了EIT-like在通信领域的应用。并且通过改变电磁超材料单元中结构的尺寸大小、谐振单元间的耦合强度等其他相关参数,可以方便的获得不同应用条件下所需的EIT-like透明传输窗口波段。随着利用超构材料实现EIT-like研究的深入,近年来的研究重点主要集中于实现EIT-like的可调性。在大部分的研究中,可调性质主要是通过改变单元结构的形状,例如大小或者开口方向;或者通过可调材料,例如光敏硅、石墨烯和二氧化钒等来实现。围绕目前已经实现的研究内容和存在的缺陷,本论文主要展开了以下工作:首先,为了充分利用入射磁场,我们设计了一种基于同时电磁激发的明-明模耦合超构材料用于实现EIT-like。该单元结构主要包括可以直接与入射磁场耦合的金属块和可以直接与入射电场耦合的金属条,两种谐振单元结构以中心重合的方式被放置在介质基板的两侧来减小其耦合距离并同时实现小型化。这样的实现方式极大的压制了散射损耗,使得最终获得的EIT-like具有低损耗特性。此外,由于整体单元结构是中心对称的,因此基于本文所设计的单元结构所获得的EIT-like传输曲线同时具有极化不敏感特性。进一步的,为了分析其耦合过程,我们除了分析传输曲线三个特征点(分别为传输曲线的两个波谷处以及一个波峰处)的表面电流和磁场分布,还利用线性耦合洛伦兹模型验证了我们分析的正确性。最后,我们还对低损耗特性和大群时延特性不可兼得做了对比说明。启发于频率可重构型天线,在本文中,我们利用固态等离子体来实现可调EIT-like。这里的固态等离子体是在硅基半导体PIN管上形成的。通过对半导体PIN管的金属接触施加偏置电压,使半导体PIN管中的载流子浓度(电子浓度以及空穴浓度)达到1018cm-3,此时基于半导体PIN管所形成的固态等离子体单元就可以实现从介质状态向类金属状态的调控,可以被用作辐射单元。我们首先设计了单PN结的硅基半导体PIN管,并在此基础上拓展设计了多PN结的硅基半导体PIN管。两种形式的PIN管通过验证分析均可用于形成固态等离子体。然后,我们将固态等离子体与超构材料结合,分别利用连续型和离散型固态等离子体单元实现了EIT-like的可调性,并与利用二氧化钒实现可调性的结果做了对比分析。
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