基于石墨烯的超材料电磁诱导透明现象的调控研究

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超材料(metamaterials)是人工设计的亚波长结构,可以展现许多新奇的光学现象,比如负折射率,超分辨,光学隐身,类电磁诱导透明等。其中,类电磁诱导透明现象是源于一种由量子相干效应产生的光学类比现象。就电磁诱导透明现象而言,因其具有慢光、强非线性等特点和在无粒子数反转激光器中的应用,受到了广泛的关注。相比量子的电磁诱导透明现象,由超材料调制的类电磁诱导透明具有结构可调的优点,对这类现象的的深入研究,不仅可以不断创新有关光与材料相互作用的科学理论;而且还可以发掘其丰富的潜在应用。超材料电磁诱导透明发展至今,通过改变结构尺寸来调节EIT(Electromagnetically Induced Transparency)的透射峰位,调节群速度,实现慢光效应的固定式调节已经被研究的比较透彻。下一步,人们考虑的方向是一种主动式的调节,即根据需求来主动调节透射窗口和峰位。本文中,基于石墨烯与超材料的混合结构,通过石墨烯与超材料的电感性耦合,实现超材料EIT透明窗口的动态可调,并实现对慢光效应的动态调制。本论文从理论和模拟仿真上来研究基于石墨烯的超材料电磁诱导透明现象的调控。主要内容:一,利用微扰理论研究了石墨烯与金属结构耦合后对峰位的影响,研究结果表明透射峰的移动正比于石墨烯电导率的虚部。并通过耦合模理论得到了电磁诱导透明透射公式;二,研究了在不同模式间距下超材料EIT峰位和群速度的变化以及不同费米能级的石墨烯对EIT透射谱和群速度的影响。结果表明,在无石墨烯的情况下,间距30 nm,透射窗口的群速度可以降低到2.862%光速。附加不同费米能级的石墨烯后,既可以动态调制峰位的蓝移或红移也可以调控群速度;三,利用不同费米能级的石墨烯调制EIT现象,实现峰位,群速度的动态调控。最后利用推导的公式拟合EIT透射谱,确定结构参数和石墨烯在超材料电磁诱导透明现象中所扮演的角色,并通过石墨烯对明暗模式的单独调制,发现暗模式对EIT的峰位起主要作用。
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