基于反铁磁/石墨烯材料体系的二次谐波增强效应研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cnlhong197416
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单层石墨烯(Graphene)是二维无隙特殊半导体材料,具有独特的光、电、化学性质,尤其是可以支持太赫兹(THz)和红外频率范围内的表面等离激元(SSP)的激发。与金属激发的表面等离激元相比,石墨烯的SPP可以通过改变外磁场而使其传播长度更长、电磁场约束更好,光学性质在THz波段内连续可调。因此石墨烯被广泛应用于光学器件。反铁磁材料(AF)的共振频率位于THz波段,不同于一般材料的光学非线性,AF材料的磁光非线性来源于麦克斯韦方程组中磁化对电磁波的非线性响应,对AF材料磁光非线性研究有利于THz器件在未来检测和通讯中的发展。由于AF材料共振频率附近有很强的吸收,因而对激光器的功率要求很高,致使AF材料的许多光学非线性效应很难被有效的利用。由于石墨烯特殊的零带隙结构和载流子弛豫性能,石墨烯粒子数在电磁波激发下反转,带间载流子跃迁复合产生的电磁波正好在THz范围内,可对电磁波进行生成和放大,使石墨烯的SPP具有高度局域化的性质。为提高AF材料非线性光学输出提供了有效的方案,同时实现可控操作。本文主要针对石墨烯在THz频域内SPPs激发的光学性质对AF材料非线性光学效应增强的物理机制进行探索。利用经典电磁理论和传输矩阵的方法,从结构设计、成份选择等几个方面,理论研究了 Faraday位型下,AF/Graphene三明治结构和周期性结构中二次谐波(SH)的生成及增强效应。得到以下有意义的结论:1.提出通过SiO2/MnF2/ZnF2三明治结构中嵌入石墨烯来增强SH生成的方案。讨论了 Faraday位型下,外磁场垂直于AF表面,入射波为TE波时,SiO2/MnF2/Graphene/ZnF2三明治结构中石墨烯对SH生成的影响。数值模拟结果表明,SiO2/MnF2/Graphene/ZnF2三明治结构的SH输出SR、ST具有明显的提高:与SiO2/MnF2/ZnF2三明治结构相比,结构上下表面SH输出SR、ST明显提高1-2个数量级。理论分析了石墨烯费米能级及外磁场对SH生成强度及输出频率位置的影响,实现通过调节门电压或外加磁场调控SH输出的目的。2.进一步探讨 Faraday 位型下(SiO2/MnF2/Graphene)N/ZrO2光子晶体(PC)结构SH的生成。研究结果表明,入射波为TE波时,与没有石墨烯的AF PC相比较,SH输出SR、ST可提高2-3个数量级,与三明治结构相比较,SH输出SR、ST可提高1-2个数量级。改变石墨烯费米能级和外磁场可以进一步调控SH输出的强度及频率位置。通过讨论石墨烯位置、电介质及循环层数对SH生成的影响,提出了一种增强SH输出的最优结构,同时也为调控SH输出提供了另一条可能的途径。
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