石墨烯等离激元双连续态共振的干涉机理与应用研究

The coherent control of localized field can be realized in surface plasmon polariton nanostructure with double continuum state resonance, and its corresponding double continuum Fano resonance has important application in designing broadband slow-light metamaterials. However, the non-radiative damping in continuum and discrete states of metallic nanostructure is subject to the Drude damping limit, and the passive control of their resonant frequency has largely blocked its application. Moreover, the thickness of slow-light metamaterials based on double continuum Fano resonance is far beyond the wavelength of incident light. In this project, we will utilize the characters of low loss, high concentration of field and dynamical tunability of graphene surface plasmon (GSP), including its advantage in thickness. The excitation conditions and formation mechanism of GSP double continuum resonance will be demonstrated with the combination of theoretical calculations, numerical simulations and experiments. Meanwhile, the influence from symmetry of graphene nanostructure and polarization state of incident light will also be explained. The continuum state competition of GSP will be testified in experiment and applied in extending the narrow slow-light bandwidth of graphene plasmon-induced transparency devices. On the other hand, our studies will offer a new scheme of dynamically tunable slow-light bandwidth and group refractive index with optimization of graphene Fermi energy and the polarization state of incident light.

在表面等离激元纳米结构中引入双连续态共振能够实现局域场的相干可控，对应的双连续态Fano共振在设计宽带慢光超构材料方面具有重要的应用价值。然而金属纳米结构的连续态与离散态共振的非辐射损耗受限于特鲁德极限，且无法实现共振频率的主动控制阻碍了他们在慢光器件等方面的应用。此外，基于金属双连续态Fano共振的慢光超构材料其厚度远远超过了亚波长尺度。本项目拟利用石墨烯等离激元本征损耗低、光场局域性强、共振频率动态可调及其在厚度方面的优势，通过理论计算、数值模拟与实验相结合，研究石墨烯等离激元双连续态共振的激发条件和形成机理；明确石墨烯结构的对称性和入射光的偏振态对双连续态共振的调控作用。实验上验证石墨烯等离激元的连续态竞争效应，并通过引入双连续态共振解决石墨烯等离激元诱导透明器件无法拓展慢光带宽的瓶颈，另一方面通过优化石墨烯的费米能级和入射光场的偏振态，探索实现慢光带宽与群折射率动态可调的新方案。

在表面等离子体激元纳米结构中引入双连续态共振能够实现局域场的相干可控，对应的双连续态Fano共振在设计宽带慢光超构材料方面具有重要的应用价值。然而金属纳米结构连续态与离散态共振的非辐射损耗受限于特鲁德极限，且无法实现共振频率主动控制阻碍了他们在慢光器件等方面的应用。项目针对以上科学问题，研究了具有双连续态石墨烯等离激元超表面的优化设计，石墨烯等离激元双连续态Fano共振的形成机理与连续态竞争效应，以及通过双连续态Fano共振实现动态可调超宽带慢光的新方案。得出的重要结果：通过研究双层石墨烯纳米带PIT效应，设计叠层各向异性2D材料纳米结构中与偏振无关的等离子体吸收器，验证了石墨烯超表面连续态的竞争效应，设计和优化了相干可控石墨烯等离激元器件，揭示了PIT耦合效应的物理机制，证实该效应可通过连续态与离散态模式或双连续态共同耦合实现。通过研究基于石墨烯超材料的动态可调谐Fano共振、不同石墨烯谐振器的系统中两个可切换PIT效应，以及平面内各向同性（异性）2D材料中PIT效应，设计基于硅裂环超表面Fano共振的高性能折射率传感器，实现了基于石墨烯双连续态Fano共振、与PIT效应复合结构慢光带宽的动态可调。通过研究基于临界耦合的单层黑磷动态可调谐窄带各向异性总吸收，设计具有高对比度光栅的石墨烯超薄多带相干完美吸收器，计算了石墨烯等超表面辐射与非辐射损耗，建立了基于耦合模式理论连续态与离散态共振衰减模式的动力学模型。研究的科学意义：实现了局域场的相干可控，在设计宽带慢光超构材料方面具有重要的应用价值。理论上揭示石墨烯等离激元双连续态的激发条件和形成机理，探讨石墨烯结构的对称性和入射光的偏振态对双连续态共振的调控作用，开展共振强度相干可控的器件物理研究，解决类电磁诱导透明效应无法拓展慢光带宽的瓶颈，为设计和优化基于双连续态Fano共振宽带慢光器件的群折射率和带宽提供科学依据。