左手材料与量子阱的耦合机理探究

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左手材料是一类介电常数和磁导率同时为负值的人工电磁超介质材料,具有一系列常规材料所不具有的独特的电磁特性(负折射效应、突破衍射极限的平板成像等),是当前研究的热点问题之一。  2001年,SMITH等人利用金属线阵列和金属谐振环构造左手材料,在微波段首次证实其左手性能。之后,大量基于劈裂环变形的分型结构被提出,例如S状结构,Ω状结构,H状结构等等,并且通过缩小结构的尺寸,左手性能的频段也从微波段推进至红外乃至可见光。双渔网结构是在“金属-介质-金属”三明治结构上分布孔阵列的一类左手材料,这类结构不仅可以实现介电常数和磁导率同时为负,并且还有着丰富的电磁波模式。另外,此结构便于制作加工,且其在光电子器件方面有很好的应用前景。  本文研究了一种金属-介质-金属微腔的光电性质,微腔的金属层刻有周期性亚波长矩形孔阵列,中间的介质层是砷化镓量子阱。我们理论研究了这种微腔(双渔网等离子体微腔)中的光学模式,电场分布以及光学模式和量子阱子带跃迁模式之间的耦合机制等等。通过研究我们发现,微腔的光学模式可以和量子阱的子带跃迁模式发生耦合,进而对双渔网的负折射特性进行调控。  (1)双渔网等离子体微腔(DF微腔)中存在三种光学本征模式:微腔的两个本征模式Gap Surface Plasmon,GSP和Localized surface Plasmon,LSP,以及量子阱中的Intersubband transition,ISBT。其中GSP和ISBT有较强的耦合作用,而LSP和ISBT耦合作用很弱。  (2)量子阱是低维半导体材料的一类代表,在器件应用方面有着举足轻重的地位,随着材料生长技术的不断进步,量子阱生长的可控性越来越高,改变量子阱的特性参数值,可以详细的探讨微腔中的电磁波模式与半导体结构能级跃迁之间的耦合机理。  (3)通过给双渔网结构加偏压,即调节量子阱中的电子浓度,可以调节微腔中的光学模式与量子阱子带跃迁模式的耦合,进而可以实现负折射的原位调节,这在光电器件方面有着很大优势。  (4)通过对各向异性半导体材料(类量子阱)与双渔网等离子体微腔之间的耦合研究,发现利用DF微腔里的不同的本征模式具有不同的电场分布,可以将其与对应方向的各向异性介质相结合,更好的利用微腔中的能量。  这些研究展现了左手材料(DF微腔)与低维半导体QW构成的光电超材料的特性,对负折射调控的系统研究,也为慢波,补偿损失,及添加增益介质的研究做了很必要的铺垫工作。
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