基于施加偏置电压后固态等离子体(SSP)可以在金属态或介质态之间进行切换的特性,设计了一种基于SSP材料的可重构双功能超材料极化转换器。研究结果表明,当SSP为金属态时,所设计的超材料极化转换器可以在较宽的频率范围内实现反射式线- 线极化转换,转换效率超过98%。当SSP为介质态时,所设计的超材料极化转换器工作在透射模式下,此时可以实现透射式线- 圆极化转换。通过表面电流分布解释了极化转换的物理机理;通过改变结构参数,研究了SSP处于金属态和介质态时的极化转换性能,证明了所设计的基于SSP的超材料极化转换器不仅具有可重构的极化转换特性,而且对结构参数的轻微变化能够保持良好的鲁棒性,有利于实际制作和实验验证。此外,入射角度的轻微变化,对两种状态下的极化转换特性不会产生大的影响,也满足实际需求。所设计的超材料极化转换器不仅可以满足不同工作模式、不同转换性能的应用需求,而且在通信、传感和成像方面具有潜在应用前景。

设计了一款基于石墨烯和二氧化钒图案的双重可调谐宽频带超材料吸收器, 当二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势分别为200 000 S/m和0.5 eV时, 吸收率超过90%的带宽达到4.2 THz。研究结果表明, 保持二氧化钒电导率不变, 吸收频带的位置和平坦性可以通过改变石墨烯的化学势在一定范围内进行调节; 如果固定石墨烯的化学势, 则宽吸收频带的吸收率的强弱可以通过改变二氧化钒的电导率进行大幅度调节, 最大调制深度约为75%。同时, 所设计的超材料吸收器还具有极化不敏感以及宽入射角的特性。基于二氧化钒电导率和石墨烯化学势的双重可调控特性, 使得所设计的超材料吸收器在宽带THz吸收、开关和调制等领域具有潜在的应用价值。

本文基于新型材料狄拉克半金属(Dirac semimetals,DSs),设计了一款高纯度宽频带可调谐线偏振转换器,偏振转换率(PCR)超过99％的相对带宽为15.72％。在频段5.25～6.14 THz内,椭度角接近0°,偏振方位角约等于-90°。这种转换性能主要是源于顶层超表面的各向异性和局域的表面等离子体激元谐振(LSPRs)的激发。此外,通过改变费米能的大小可以使所设计的偏振转换器在不同的频带范围内实现宽频带偏振转换。最后,通过半解析的方法对偏振转换特性进行了理论分析。该设计在太赫兹通信、成像、无损检测等领域具有一定的应用价值,同时为宽频带可调谐太赫兹线偏振转换器的设计提供了新思路。

基于光敏半导体材料电导率可被外部泵浦光调控的特性,通过在嵌套的类方环单元结构中嵌入半导体材料砷化镓,设计了一种动态光控单频/双频可切换的超材料吸收器。在此基础上,根据不同波长的泵浦光对不同半导体材料的激发特性,引入第二种半导体材料锗,将第一种结构进行拓展,提出了一种光可控的多频段超材料吸收器,利用不同波长的泵浦光调控半导体材料的电导率,实现了单频/双频/三频吸收状态任意切换的吸收特性。仿真结果表明,所设计的吸收器具有偏振不敏感和宽角度入射的特性,有望在调制器、频率选择器、探测器等领域得到应用。

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW), 其中外侧是一个完整的环形谐振腔, 而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现, 当缺口宽度θ=5°, 位置φ=45°时, 会在波长674 nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption, PIA)现象。基于此, 首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用, 研究结果表明, 其灵敏度超过600 nm/RIU, 最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性, 在PIA传输谷处会产生约-0.081 ps的光学延迟, 意味着较大的异常色散和快光效应, 而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045 ps和0.043 ps的光学延迟, 意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400 nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076 ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。

采用Hirota方法研究了描述超材料中电磁波传输的非线性薛定谔方程,解析得到了线性增益和非线性吸收平衡下两个精确的空间啁啾暗孤子解:暗孤子I(DSI)和暗孤子II(DSII)。基于Drude模型,研究了DSI和DSII在不同电和/或磁极化非线性超材料中的形成条件、存在区域和传输特性,并进行了数值验证。研究发现:存在于负折射区的DSI,传输过程中速度逐渐增加,而存在于正折射区的DSII,传输过程中速度逐渐减慢;DSI具有正的啁啾,而DSII具有负啁啾;DSII的波束宽度远小于DSI的波束宽度;DSI和DSII的背景幅度和半峰全宽由其系统模型的参数决定,因此与入射波的频率直接相关,在每种非线性情况下DSI和DSII的传输特性都不同。这些研究结果表明,通过选择不同的非线性超材料和入射电磁波频率可以控制啁啾暗孤子的传输特性。

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500 nm／RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

本文提出了两种新型的基于石墨烯的表面等离子体光波导(GSPW)，结构由单层石墨烯直波导与侧耦合的石墨烯环形谐振腔和条形谐振腔构成，利用有限元法(finite element method, FEM)对GSPW中呈现出的等离子体诱导透明(plasmon induced transparency, PIT)现象及其慢光效应进行了研究，结果表明，传输谱中出现的PIT透明窗口峰值传输率可达到80％以上，而其两侧的传输谷值接近于0，并且PIT峰值附近的最大群折射率在112左右，具有很好的滤波特性与慢光特性。透明窗口在不改变几何结构的情况下还可通过石墨烯化学势的改变而动态调制，因此，该结构在今后基于石墨烯的高密度集成表面等离子体光波导器件的设计中具有重要的借鉴作用。