1 郑州师范学院物理与电子工程学院，河南，郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室，上海 200083
设计了一种由圆形硅纳米线和涂覆石墨烯的三角形纳米线组成的混合等离激元波导结构，采用有限元方法研究了该波导中的基模场分布和亚波长传输特性。利用硅纳米线波导周围的倏逝波与石墨烯的耦合，大幅提升了等离激元波导的亚波长传输性能。研究结果表明，三角形顶角大小、间隙距离、石墨烯费米能级等对模式的传输特性有很大影响。所设计的波导结构具有强光场局域、低损耗传播和高品质因数等优点。与同类型结构相比，所设计的波导综合性能更优，有望应用于波导集成型等离激元光器件中，如调制器、纳米激光器等。
光学器件 波导 石墨烯等离激元 红外波 中国激光
2023, 50(10): 1013001
1 郑州师范学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室，上海 200083
对比研究了石墨烯包裹的纳米线与金属包裹的纳米线亚波长传输特性。针对单线和双线两个结构，采用有限元方法研究了不同频率和尺寸下最低阶模式的场分布和传输特性。结果表明，当金属层厚度大于其趋肤深度时，石墨烯包裹的纳米线的基模光场约束性能更好；当金属层厚度远小于趋肤深度时，金属包裹的纳米线和石墨烯包裹的纳米线亚波长传输性能相当。相关研究结果可为等离激元材料的选择提供参考，在亚波长光子器件领域有潜在的应用价值。
光学器件 波导 红外波 纳米线 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0923001
1 郑州师范学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室，上海 200083
对比研究石墨烯薄层在等离激元纳米光波导有限元计算中的两种处理方法，即表面电流法和薄层法。基于上述两种方法，分别研究石墨烯平面波导结构和曲面波导结构中基模的场分布以及基模在不同频率和几何等参数作用下的等效模式系数。仿真结果表明，表面电流法与薄层法对上述问题均具有高度的适用性。特别的是，表面电流法与理论计算结果的偏差非常小（小于1%），而且该方法更节省计算资源。相关研究结果可用于简化石墨烯层在有限元计算中的处理方式，并且可以提高计算效率。
光学器件 石墨烯 有限元方法 表面电流法 薄层法 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0723003
1 郑州师范学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室，上海 200083
提出一种由硅-绝缘体（SOI）结构与涂覆石墨烯层的纳米线（GCNW）构成的低损耗波导结构，采用有限元方法详细研究波导结构中石墨烯等离激元基模传输特性对频率、几何参数、材料参数以及石墨烯化学势的依赖关系。仿真结果表明，该波导中低折射率的SiO2介质层可实现高性能的深度亚波长光约束。得益于低折射率的SiO2介质层和SOI衬底以及石墨烯层的高折射率对比度，可获得极小模场面积的低损耗等离激元模式。所提出的波导结构为高性能和深度亚波长可调谐集成光子器件的设计提供一定的参考。
光学器件 表面光学 波导 表面等离激元 红外波 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0323001
1 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室, 上海 200083
针对涂覆石墨烯层的圆形纳米线结构中模式场约束特性较差,以及难以与常用的线偏光源进行耦合,提出两种涂覆石墨烯层的双椭圆形纳米线等离激元波导,并采用有限元方法详细研究该结构中的石墨烯等离激元模式特性对几何参数和物理参数的依赖关系。仿真结果表明,双椭圆形纳米线的排列方向、纳米线间距、椭圆长短轴的比值和石墨烯化学势对等离激元模式传输性能有显著影响。所提的涂覆石墨烯层的双椭圆形纳米线结构能够实现长距离传输和亚波长约束,并在可调谐纳米光子器件和红外传感等领域具有潜在的应用价值。
光学器件 波导 表面等离激元 红外波 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 232303
1 上海大学理学院, 上海 200444
2 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
对太赫兹金属平行平板波导的最低阶横电(TE1)模式进行理论研究,并且在真实金属参数的条件下,推导出一个适用于太赫兹金属平行平板波导TE1模式有效折射率的近似表达式。首先对TE1模式进行基于有限元方法的数值模拟,并且将模拟结果与近似表达式所得的数值进行对比,验证理论推导的可行性。接着由误差分析表明所推导的近似表达式在整个太赫兹波段具有很高的精确度,并且具有适用频率范围广的特点。模拟仿真结果表明,该近似表达式对TE1模式的分析具有高度的适用性,将对金属平行平板波导的研究和应用起到一定的促进作用。
光学器件 波导 太赫兹波 金属光学 远红外 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 192302
1 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室, 上海 200083
提出一种基于硅衬底的涂覆石墨烯层的三角形纳米线等离激元波导,并采用有限元方法详细研究了基模传输特性及其与几何参数、物理参数的关系。结果表明:间隙区域大小、顶角角度、圆角半径和石墨烯化学势对模式传输特性有很大影响。通过优化设计,该波导结构可以实现石墨烯等离激元的深度亚波长传输,传播距离可达10 μm,同时归一化模式场面积仅约为10 -6。该石墨烯表面等离激元波导为可调谐纳米光子器件的设计提供了一定的参考。
表面光学 光学器件 波导 表面等离激元 红外波 光学学报
2020, 40(13): 1324002
1 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
2 郑州师范学院物理与电子工程学院量子材料研究中心, 河南 郑州 450044
3 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室, 上海 200083
4 上海大学理学院, 上海 200444
提出一种由石墨烯包裹的纳米线和石墨烯层构成的石墨烯间隙波导结构,并采用有限元方法对基模传输特性及其与结构参数、材料参数等的关系进行了详细研究。结果表明:纳米线半径、间隙距离、纳米线介电常数和石墨烯化学势均对模式传输特性有很大影响。通过优化参数,这种结构可以同时实现石墨烯等离激元的长距离传输和模场的深度亚波长约束。采用石墨烯等离激元实现中红外波的深亚波长传输为突破衍射极限光子器件的设计及高密度集成提供了理论基础和指导。
光学器件 波导 表面等离激元 红外波 亚波长结构
1 上海大学物理系,上海 200444
2 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
基于平行平板波导的TE1模式理论和电场是近似线偏振的假设,推导了余弦-高斯光束在平行平板波导中的电场传输表达式。在傍轴近似的条件下,余弦-高斯光束可以作为平行平板波导的一个基础解。当频率为0.35 THz时,对余弦-高斯光束在金属铜平行平板波导中的传输进行了数值模拟,结果表明模拟的幅值和相位与根据电场表达式所得结果符合得很好,同时也讨论了z轴方向上模拟的相位与理论结果的偏差和电场散度方程的完备性。
光学器件 平行平板波导 太赫兹波 金属光学 余弦-高斯光束 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 192302
理论上提出了平顶正弦相位板星冕仪, 该星冕仪可作为正弦相位板星冕仪和六平台相位板星冕仪的推广形式。平顶正弦相位板具有角向的双周期结构, 每个周期中都包含两个平顶的半正弦区域和一个平坦区域。解析地推导了该相位板的宽带工作条件。在这个宽带工作条件的一端, 这个相位板可以退化为正弦相位板; 在另一端, 这个相位板可以退化为六平台相位板。数值计算结果表明, 平顶正弦相位板星冕仪与这两种特例情况一样, 具有良好的消色差能力。
成像系统 星冕仪 傅里叶光学 相位板 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 051102
