亚波长金属-石墨烯复合结构中的强束缚混合模式及其在红外吸收器中的应用研究

Confined modes, such as spoof surface plasmons, quasi-bound states, and Fabry-Perot, etc., can be supported by subwavelength periodic structures. Optical energy could be localized in a scale smaller than incident wavelength when these modes are excited. This character opens opportunity to control light beyond the diffraction limit. In this project, we theoretically and experimentally study a new kind of localized states, namely highly confined hybrid modes (HCHM), which are sustained by a subwavelength metal-graphene heterostructure. Through the effective dipole scattering theory, we will find out the physical mechanism and properties of HCHM, and explore its application in tunable infrared absorbers. The main creative content is listed as follows: (1) Through experimental and theoretical research, we discuss the interaction between conventional confined states in the proposed subwavelength metal-graphene heterostructures, and find out the phase matching condition of HCHM. (2) We also study the relation between the properties of HCHM and the gate volt of graphene layer, and explore its physical mechanism. (3) Based on HCHM, we design and fabricate a new kind of electrically tunable infrared absorbers. Our results will give an insight into the interaction between multiple confined modes in complex subwavelength structures, and obtain important achievement in device application.

亚波长周期结构中能支持伪表面等离子体、准束缚态以及Fabry-Perot等束缚模式的产生，这些束缚模式能将光局域在小于波长的范围之内，从而为人们突破衍射极限对光进行操作提供了可能。本项目针对一种新型亚波长金属-石墨烯复合结构，利用等效偶极子散射理论及红外反射实验，研究了该复合结构中由多种传统束缚态耦合形成的一种新型局域模式- - 强束缚混合模式。本项目将明晰这种新模式的物理图像，力图在表面等离子体光学和石墨烯的交叉点上，探索其在可调红外吸收器中的应用。项目的主要创新内容如下：(1)探讨亚波长金属-石墨烯复合结构中传统束缚态间的相互作用，给出它们耦合形成强束缚混合模式的条件；(2)研究强束缚混合模式的电压依赖特性，探讨其中的物理机制；(3)基于强束缚混合模式设计制作新型电压调谐红外吸收器。完成本项目将解决复杂亚波长结构中多种束缚模式相互作用过程不明确的问题，并将在器件应用方面累积重要原创成果。

将亚波长金属结构与石墨烯相结合，是当前微纳光子学及等离激元光子学领域的研究焦点，对未来可调谐光电器件的研制有着重要意义。本项目提出了一类亚波长金属-石墨烯复合结构，在红外波段对该结构所支持的强束缚混合模式（highly confined hybrid mode: HCHM）及其电压调控特性进行了理论和实验研究。主要研究内容和重要结果如下：（1）在理论上发现了亚波长金属-石墨烯复合结构中可以形成一类全新的HCHM光子模式，即耦合型石墨烯等离极化激元（coupled graphene plasmon polaritons: CGPPs），它有着比传统石墨烯等离激元更强的局域吸收能力和更长的传播距离，且可通过改变结构参数或石墨烯费米能量调制其特性；（2）对整个红外波段，建立了CGPPs的物理模型，并通过模型很好地解释了电压调制其特性的规律和机理；（3）实验研究了驱动电压对单层石墨烯红外反射和吸收的调制规律，发现了驱动电压越大红外吸收率越小，证明了驱动电压对石墨烯中载流子弛豫时间的影响，这是对石墨烯红外特性的重要实验补充；（4）实验证明了石墨烯-亚波长金属disk阵列复合结构吸收器中HCHM的存在，并发现了增大驱动电压可使吸收频峰逐渐蓝移，并结合理论模型对这种现象进行了解释。综上所述，项目得出的理论模型清晰解释了伪表面等离激元与石墨烯等离激元耦合的物理机制，且该理论可以推广到各种亚波长金属-石墨烯复合结构中光子模式的探讨和研究；而实验结果则是研发石墨烯基光电器件的基础，可用于设计和优化可调谐石墨烯基红外吸收器、调制器及其他新型光电子学元器件。