【摘 要】
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手性是一种在自然界中普遍存在的性质。手性光学特性主要包括非对称传输、圆二色性和旋光性,但是天然手性材料中的光学特性并不明显。因此使用人工集成的手性超材料来获得这些光学特性已经成为一种趋势,在此基础上制备而成的光吸收器、传感器、偏振器也备受关注。石墨烯超表面是一种二维的超材料,拥有优秀的物理性质、光电性质,以及动态可调的电导率。本论文利用石墨烯材料的可调谐性,基于有限元数值分析方法分别对实现不同光学
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手性是一种在自然界中普遍存在的性质。手性光学特性主要包括非对称传输、圆二色性和旋光性,但是天然手性材料中的光学特性并不明显。因此使用人工集成的手性超材料来获得这些光学特性已经成为一种趋势,在此基础上制备而成的光吸收器、传感器、偏振器也备受关注。石墨烯超表面是一种二维的超材料,拥有优秀的物理性质、光电性质,以及动态可调的电导率。本论文利用石墨烯材料的可调谐性,基于有限元数值分析方法分别对实现不同光学特性的手性石墨烯超表面进行了理论研究。主要研究内容如下:首先,本文设计了一种实现非对称传输效应的双层J形手性石墨烯超表面结构。经过模拟仿真,该结构在14.90μm处得到最大非对称传输值,为16.64%,相较于单层J形结构得到了极大的提升。非对称传输效应与对映体敏感的石墨烯表面等离激元息息相关,不同偏振态或入射方向的圆偏振光激发的等离激元之间存在着显著差异,从而导致了不同的感应电场。通过改变石墨烯超表面的参数来分析对非对称传输的共振波长、幅度的影响。其后,本文又设计了一种非本征L形手性石墨烯超表面结构,在斜入射情况下实现另外两种手性光学特性,圆二色性和旋光性。圆偏振光入射到超表面结构上能激发两个对入射角度不敏感的石墨烯局域表面等离激元共振模式。当入射角为60°时,在两个模式的共振波长处实现了纯旋光性,偏振方位旋转角分别为-16.1°和14.84°。两种模式之间形成一个带宽为6.64μm（11.05～17.69μm）的宽带圆二色性,共振模式附近得到的最大圆二色性为24.64%。带宽与入射角的大小基本无关,但与费米能级有一定关系。该结构能同时激发电偶极子和磁偶极子。两种共振模式随费米能级的增大而蓝移,圆二色性和旋光性的振幅也随本征弛豫时间的增加而增加。最后,本文研究了一种双层四度旋转对称J形手性石墨烯超表面结构,在不需要电磁波斜入射的条件下即可实现圆二色性和旋光性。该结构在共振波长21.23μm处得到最大圆二色性为16.13%。在共振波长两侧21.05μm和21.4μm处,圆二色性消失,这意味着纯旋光性的产生,偏振方位旋转角分别为10.7°和-15.18°。圆二色性和旋光性的产生归因于两层超表面之间磁偶极子和电偶极子的相互作用。通过改变石墨烯超表面的费米能级和弛豫时间等参数来探讨该结构对圆二色性和旋光性的可调谐性。
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