固态等离子体电磁诱导透明的基础研究及其应用

This project is basic research and application on electromagnetically induced transparency based on solid state plasma. The electromagnetically induced transparency is widely used in slow light devices and sensors. The volt ampere characteristic and metalloid characteristic of the solid state plasma is obtained by studying the relationship between the plasma concentration and the applied bias voltage, which provides guidance for the design of electromagnetically induced transparency based on solid state plasma. When the solid state plasma is applied to the design of electromagnetically induced transparency, the frequency reconfigurable, slow light and high Q factor are obtained by the modeling and simulation of electromagnetically induced transparency. In addition, the application of electromagnetically induced transparency in slow light devices and sensors is systematically studied. At last, the frequency reconfigurable, slow light and high Q factor of electromagnetically induced transparency based on solid state plasma are verified by experiments, which further promotes the practical application ability of electromagnetically induced transparency based on solid state plasma in slow light devices and sensors.

本项目是固态等离子体电磁诱导透明的基础研究及其应用。电磁诱导透明在慢光器件和传感器领域具有广泛的应用。通过研究固态等离子体浓度与外加偏置电压、电流的关系，获得了固态等离子体的伏安特性和类金属等电磁特性，为固态等离子体电磁诱导透明的设计提供了基础；把固态等离子体引入到电磁诱导透明的设计中，通过对固态等离子体电磁诱导透明的仿真和建模，仿真实现了电磁诱导透明的频率可重构特性、慢光特性和高Q值等特性。另外，系统研究了固态等离子体电磁诱导透明在慢光器件和传感器领域的应用。最后，实验验证了固态等离子体电磁诱导透明的频率可重构特性、慢光特性和高Q值等特性，进一步推进了固态等离子体电磁诱导透明在慢光器件和传感器领域的实际工程应用

电磁超材料由于其不同寻常的电磁特性在应用电磁学、固体物理学、材料科学和应用光学领域获得越来越多的关注，是当前国际电磁学研究的前沿课题之一。电磁诱导透明是三维原子系统中的一种重要的干涉现象，它能使得原来宽的吸收谱中出现一个陡峭的窄带传输峰。同时，在窄带传输窗口内，传输相位发生陡峭变化，导致“慢光”效果和非线性作用。这些特性使得电磁诱导透明在慢光器件、光信号处理、传感器、量子开关和非线性器件中存在广泛的应用。然而，三维原子系统中的电磁诱导透明需要非常苛刻的实验条件，需要低温和高强度激光。这些苛刻的实验条件大大限制了电磁诱导透明的应用。2008年，X. Zhang课题组在太赫兹波段用电磁超材料实现电磁诱导透明，这种用电磁超材料能够模拟三维原子系统中的电磁诱导透明不需要低温和高强度激光等苛刻的实验条件，能在常温条件下的亚波长结构中实现类电磁诱导透明的效果。因此，基于电磁超材料的类电磁诱导透明成为了研究的热点。迄今为止已公开发表的电磁诱导透明，都只能能够改变电磁诱导透明传输峰值的大小，不能改变电磁诱导透明传输峰的频点位置。然而，在实际工程应用中，不仅需要改变电磁诱导透明传输峰的大小，还需要改变电磁诱导透明传输峰的位置（频率可重构）。为此，本项目研究了基于固态等离子体的频率可重构的电磁诱导透明技术。首先通过研究固态等离子体Si-PIN单元的载流子浓度，验证了通过偏置电压实现其从介质特性到类金属特性的调控，并且通过优化设计寻求利用最低的电压实现这一特性。其次提出了多种不同的超材料单元结构，并分析了其用于不用应用场景的可行性，最后将固态等离子体单元与设计的类电磁诱导透明超材料单元结合，实现了类电磁诱导透明的频率可重构特性。