超构表面连续域束缚态诱导的石墨烯吸收增强研究.pdf

摘要

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超构表面(Metasurface)是一种厚度小于波长的人工层状材料，可视为超构材料的二

维(平面)对应。作为微纳光学的前沿热点，其在全息成像、非线性光学、新型光束和集

成光学等领域中具有广阔的应用前景。近些年，超构表面光波导中的一种独特的光学

束缚态吸引了广泛地关注，这种束缚态存在于辐射波的连续光谱中，同时能保持完美

的局域化，因此被称为连续域束缚态(BoundStatesintheContinuum,BIC)。BIC极端受

限的特征和其奇异的拓扑性质决定了其很难在光谱中被观察和控制。然而，人们发现

共振系统的微小的扰动可以激发BIC坍缩成为具有有限品质因子(Qualityfactor,Q)的准

BIC。对于准BIC，其电磁能量高度局域化，这无疑为增强光和物质相互作用强度提供

了有利条件。因此，对于BIC的操控成为了增强并调控石墨烯的光吸收的有效途径。

本文基于硅基超构表面，提出了两种利用BIC增强石墨烯光吸收强度的研究，并且基

于BIC的特殊性质实现了对于吸收特征的有趣操控，主要内容包括：

1.设计了一种超紧凑硅基光栅超构表面(SiliconGratingMetasurface,SGM),通过改

变光波的入射角度发现了一个偶然BIC。通过对光波入射角度的微小改变得到了具备

高Q因子的准BIC，将单层石墨烯平铺到超构表面的上表面后，通过耦合模理论分析

证实了在过耦合共振下可以实现高效的光吸收，并且吸收峰的位置和峰值可以通过改

变入射角来动态调节。根据结构单胞的远场多极子分解和近场分布，探究出石墨烯的

光吸收增强主要来源于环形偶极子和电四极子的混合模式。此外，带有石墨烯的SGM

的吸收响应对结构参数的变化是鲁棒的，并且它们的光学性能可以随着石墨烯费米能

级的改变而被高度调制。该研究首次利用偶然准BIC实现了石墨烯光吸收的增强，拓

宽了偶然BIC的应用途径，为传感器、吸收器等光子器件的发展提供一定的参考借

鉴。

2.设计了一种硅基二维光子晶体板(PhotonicCrystalSlab,PCS)，在单个晶胞中蚀刻

有正方形空气槽。我们在硅基二维PCS中寻找到两条对称保护BIC能带(TE1与

TE2)，在空气槽右上侧沉积小正方形硅块以打破PCS的面内二重旋转对称性，将TE1

模式破缺为准BIC。通过远场偏振态分析发现两个旋向相反的圆偏振态(C点)。C点的

产生以及偏振态椭圆度的增大促使透射光谱体现出了超强的圆二色性。在单层石墨烯

被添加到PCS表面后，C点处表现出完美的自旋选择吸收特征。并且对于石墨烯费米

能级的改变，吸收光谱的高鲁棒性印证了这种C点决定的自旋选择性吸收能力的稳

定。所沉积小方块位置的改变可以操控C点在动量空间中的移动，进而实现了多方位

的选择性吸收。对于另一条BIC能带TE2，其极化矢量场中的涡旋奇点(V点)却表现出

先分裂后汇合再分裂的奇异现象。通过对于能带以及电磁场模式的详细分析，我们发

现是其与导模共振态之间的耦合效应导致了这样的现象。并且当结构不对称度增大到

一定程度，带间耦合效应激发了其动量空间远场偏振场中的空点分裂，因此衍生出多

重C点，实现了远场偏振场中的大范围高椭圆度。基于此现象，在平铺上一层单层石

墨烯后，我们首次在动量空间中实现了大范围自旋选择性吸收。这项研究提出了一种

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新的机制来操纵光-物质相互作用，为准BIC所支持的C点开辟了一条全新的应用途

径，并为带间耦合效应探索出一条全新的应用途径。

关键词：连续域束缚态；超构表面；石墨烯；远场偏振态；拓扑荷

Abstract

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Metasurfaceisakindofartificiallylayeredmaterialwithathicknessle