基于石墨烯等离激元的光学吸收器研究.pdf

摘要

电磁波超材料吸收器在科学技术和军事防御的发展中发挥着越来越重要的作用，

已经成为许多应用研究的基础。研究和控制光与物质的相互作用对于光学吸收器件的

发展至关重要，而表面等离激元由于具有突破光学衍射极限的优异特性为微型化光学

吸收器件的发展提供了巨大支持，使得在纳米尺度上操控光成为可能。近年来，很多

基于表面等离激元的金属基吸收器件被提出。然而，传统贵金属结构支持的表面等离

激元欧姆损耗非常大并且共振频率不可动态调谐，这些缺点严重限制了金属基吸收器

的发展。石墨烯材料所支持的表面等离激元因其具有低损耗、场局域性强、动态可调

性等特点，受到科学家们广泛关注。

本论文根据石墨烯等离激元的光学和电学特性，设计了两种不同结构的石墨烯基

光学吸收器件。利用石墨烯的特殊性质和表面等离激元共振的作用实现在特定波长下

对光的高效吸收，并通过有限元软件对吸收器的吸收特性进行详细分析。论文主要研

究内容如下：

设计了一种基于双层图案化石墨烯纳米圆盘结构的吸收器，该吸收器能在红外波

段内产生两个完美吸收峰。利用有限元软件进行仿真，通过分析吸收峰共振波长处的

电磁场得知，两个完美吸收峰来自相应石墨烯纳米圆盘产生的偶极子共振的贡献。完

美吸收产生的原因是吸收器的阻抗与自由空间中的波阻相匹配，并且通过调节介质层

的厚度可以对阻抗匹配程度进行调节。该吸收器最大的特点是仅需改变石墨烯的费米

能级就可以同时或者独立地动态调控吸收峰的共振波长。另外还系统的研究了结构几

何参数对吸收峰共振波长的影响。此外该吸收器具有偏振不敏感和在大角度下仍能保

持高吸收率的优异特性。

设计了一种基于单层石墨烯耦合介质衍射光栅结构的有源石墨烯等离激元吸收器，

该器件能在红外波段内产生三个完美吸收峰。介质光栅解决了自由空间中的光波与石

墨烯等离激元波矢不匹配的问题，从而激发石墨烯等离激元共振，产生三个吸收峰。

通过调整介质光栅的高度可以对结构的阻抗进行调节，当吸收器的阻抗与自由空间中

的波阻抗相同时，吸收峰能达到近100%的吸收率。通过改变费米能级、石墨烯的弛豫

时间和吸收器的几何参数，可以实现吸收器的动态可调特性。此外，该吸收器能够在0°

到70°的不同入射角内呈现出良好的吸收特性。

关键词：石墨烯，表面等离激元，光学吸收器，阻抗匹配，动态调控

ABSTRACT

Metamaterialabsorbersforelectromagneticwavesarebecomingincreasinglycrucialforadvancingthe

fieldofsciencetechnology,andmilitarydefense,andhavebecomethebasisofmanyappliedresearch.

Researchingandcontrollingtheinteractionbetweenlightandmatteriscrucialforthedevelopmentofoptical

absorberdevices.Surfaceplasmons,duetotheirexceptionalcharacteristicsofbreakingthediffractionlimit,

providetremendoussupportforthedevelopmentofminiaturizedopticalabsorberdevices,enablingthe

manipulationoflightatthenanoscale.Inrecentyears,manymetal-basedabsorberdevicesbasedonsurface

plasmonshavebeenproposed.However,traditionalnoblemetalstructuresthatsupportsurfaceplasmons

sufferfromsignificantOhmiclossesandtheirresonancefrequencycannotbedynamicallytuned,which

se