石墨烯等离子体波导光学力研究及石墨烯特异电磁材料的理论研究

Metamaterials and plasmonics, in order to control the propagation of electromagnetic waves and confine the optical fields, have attracted lots of researchers and emerged a number of optical devices with novel electromagnetic properties, in particular at terahertz and optical frequencies. Unfortunately, significant dissipative loss must be considered for high working frequencies, because the noble metals are used for the designs of most man-made metamaterials or plasmonic systems. And these optical devices, usually based on the resonant metallic structures, are difficult to be obtained with wide frequency response. Other material systems are under consideration to reduce the dissipative loss. Graphene, which works at terahertz and can be tunable by bias voltage, is introduced into the metamaterials and plasmonic systems. The present project is devoted to the theoretical designs of graphene based plasmonic waveguides, hybrid plasmonic waveguides, graphene metamaterials and graphene plasmonic devices, and to the theoretical studies for the electromagnetic scattering properties of them. Our researches are going to concern (i) investigating the coupling of evanescent waves between two graphene plasmonic waveguides, the field enhancement, and the transverse optical force; (ii) theoretical designs and studies of graphene hybrid plasmonic waveguides, in order to obtain extremely small mode area and long propagation of surface plasmon waves; (iii) theoretical designs of graphene based metamaterials and plasmonic devices, and researches of their electromagnetic scattering properties.

特异电磁材料和等离子体在控制电磁波的传播和对光场的局域方面，具备广泛的研究和应用，尤其是在太赫兹和光学波段。然而在大多数电磁结构中使用到了金属材料，同时利用了金属结构的共振特性，在高频波段对电磁波的耗散损耗比较严重，也不利于宽频响应的实现。工作在太赫兹波段，同时可以被外置偏压轻松调控的掺杂石墨烯材料，被引入到了特异电磁材料和等离子体器件中来。本项目拟理论设计基于石墨烯材料的等离子体波导、杂化等离子体波导、石墨烯特异电磁材料及石墨烯等离子体器件，并研究它们的电磁散射特性。主要的研究内容包括：(1) 研究石墨烯等离子体波导之间的耦合作用，以及耦合作用产生的场增强效应和等离子体波导间的横向光学力；(2) 理论设计并研究石墨烯杂化等离子体波导，以获得极小的模式面积和较大的传播长度；(3) 理论设计基于石墨烯材料的特异电磁材料及等离子体器件，并研究其电磁散射特性。

基于本项目提出的研究课题，开展了一系列的研究，基本完成了本项目中所提出的相应研究内容。主要的研究成果包括以下三个方面：（1）基于石墨烯材料设计了槽型波导，由于石墨烯材料对于表面电磁波的束缚比较强烈，电磁场被束缚在石墨烯表面很小的区域内，因此所设计的槽型波导具有较强的光局域和场增强效应；同时由于石墨烯材料具有可调谐性质，因此所设计的波导的相关性质也会被调节；研究还表明这些效应具备宽频性质。（2）基于有限元方法，研究了基于石墨烯材料的等离子体波导之间的光学作用力，研究表明波导之间存在很强的横向光学力，在光机械或者光学传感器方面存在潜在的应用；在研究的过程中，同时给出了光学力的解析表达式，以揭示其与其它物理量之间的依赖关系。基于本项目的支持，我们还研究了二维矢量Airy光束，Airy光束是一种非衍射光束，除了具备自修复效应之外，还具备独一无二的自加速效应，即光束的主要能量沿曲线传播。（3）基于Mie散射理论及Maxwell应力张量的方法，研究给出Airy光束的分波展开系数，并检验了光束的自修复与自加速效应，最后研究了二维矢量Airy光束对介质粒子及金属粒子的光学微操控。基于本项目的研究成果，我们将继续研究基于石墨烯材料的等离子体器件及手性介质粒子的光学微操控，这些研究成果为我们后续的研究奠定了基础。