磁光材料中的非互易磁表面等离子激元及其应用的研究

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表面等离子激元具有亚波长空间属性,它能够突破衍射极限,可以作为连接光子技术和电子技术的桥梁。在外磁场的作用下,磁光材料支持的磁表面等离子激元(SMPs)具有非互易传播的特性,在合理的设计下能够实现电磁波的定向传播。传统的基于金属的SMPs面临磁光效应很弱、材料损耗较大、对磁铁的需求不利于集成化、与传统波导耦合效率低等问题,阻碍了其在实际中的广泛应用。针对上述问题,我们理论研究了新型磁光材料中SMPs的非互易传输特性及相关应用。相比于金属磁光材料,二维磁光材料具有损耗低、深度亚波长约束的优势。我们综合使用了解析、半解析和数值计算的方法分析了二维各向异性材料——单层黑磷结构中SMPs的色散特性,所涉及的结构包括单层黑磷平面,半无穷黑磷边界和由单层黑磷构成的楔形结构。由于单层黑磷本身具有强烈的晶格各向异性,因此其表面所支持的SMPs的性质受到外磁场引入的各向异性和其晶格各向异性的共同影响,在不同的晶格方向所表现出来的色散、传播特性和外磁场调控能力具有明显差异。我们的结果表明,单层黑磷支持的SMPs具有高度可调和非互易传播的特性,可以在亚波长尺度下控制电磁波的传播,同时可以用来设计新型的基于SMPs的各向异性可调控非互易器件。为了避免SMPs对磁铁的依赖,我们考虑利用亚铁磁材料充磁后的剩余磁化强度来支持其表面的SMPs。我们解析分析了亚铁磁材料如铁氧体(YIG)在移除外磁场之后其所支持的SMPs的色散特性,提出并验证了SMPs的完全单向传播性质。同时,我们详细讨论了介质层的厚度与其所引入的高阶常规模式对单向区间的压缩效应,提出了能够确保SMPs单向传输的介质层临界厚度。随后,我们理论计算了奇对称和偶对称模式在不同的介质层中的传播长度。结果表明,具有偶对称性的模式比具有奇对称性的模式表现出更大的传播距离,并且使用相对介电常数较高的介质时,其所支持的SMPs具有更大的传播长度。最后,我们通过优化上述剩磁SMPs单向波导与传统的金属平板波导的几何参数,大大提高了这两个波导的耦合效率,提出并验证了基于剩磁SMPs单向波导的具有亚波长量级的微波段宽频带高效率隔离器。通过不同的尺寸设计,该隔离器可以分别实现奇对称模式和偶对称模式的高效电磁隔离。我们研究的基于黑磷和剩磁材料中的SMPs分别具有损耗低、深度亚波长约束和不依赖外磁场、易与传统波导耦合的优点,为SMPs的实际应用提供了新的思路和方法。
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