电场调控的单层石墨烯复合结构古斯-汉森位移的探索.pdf

摘要

Goos和Hänchen于1947年通过实验首次观测到反射光束在全反射条件下将偏离几何光

学预测的位置，在入射面上发生空间横向位移，这一位移现被命名为古斯-汉森位移。该现象

对几何参数的微小变化具有高度的敏感性，因此在传感和检测等领域具有极大的应用潜力。

单层石墨烯是由碳原子组成的呈蜂窝结构的二维平面材料，因其卓越的光学性能而备受瞩目。

近年来，研究者愈加关注基于单层石墨烯复合结构的古斯-汉森位移的增强与调节，这已成为

古斯-汉森位移研究领域内备受青睐的热点课题。本文旨在通过严格耦合波分析法、传输矩阵

法以及静态相位法探讨这些复合结构反射光的古斯-汉森位移，具体研究内容如下：

首先，本文设计并分析了基于单层石墨烯的双介电光栅结构的古斯-汉森位移。研究发现，

该结构在上下介电光栅层所激发的导模共振共同作用下，有效地增加了光与该复合结构之间

的相互作用及其吸收，从而实现了较大的古斯-汉森位移，其振幅可达入射波长的8000倍以

上。此外，本文还可以通过改变单层石墨烯的化学势和双介电光栅层的填充因子，控制古斯-

汉森位移峰值的大小和所在的波长位置。该复合结构为增强二维层状结构的古斯-汉森位移提

供了一种新方法，这将有望推动双介电光栅结构在新型光电器件更广泛的应用。

其次，提出并研究了另一种复合结构的古斯-汉森位移，该结构由单层石墨烯薄片、介电

光栅、单层石墨烯锻带和金属衬底组成。结果表明，该结构的古斯-汉森位移在特定角度处可

以显著放大至入射波长的4470.6倍，其古斯-汉森位移的增强是源于金属层与介质层交界面

激发了表面等离极化激元，导致了该结构的低反射率和相位突变。此外，本文还探讨了单层

石墨烯的化学势、弛豫时间以及光栅层和波导层的厚度对复合结构古斯-汉森位移的影响。该

复合结构古斯-汉森位移的增强有助于其在光电传感器、探测器等光学器件的应用。

最后，构建了由单层石墨烯、硅和二氧化硅组成的一维缺陷光子晶体结构，并探究了其

古斯-汉森位移。结果证实，该复合结构所激发的局部缺陷模可以增强其与光之间的相互作用，

进而引起该结构在工作波长处的反射相位发生突变，这进一步导致了该结构古斯-汉森位移幅

度的增强。同时通过改变单层石墨烯的光学参数、复合结构的几何参数以及入射角，该复合

结构可以在近红外波段下成功实现对其古斯-汉森位移的动态调节。这些结果表明本工作设计

的结构在集成光学器件和系统中具备良好的应用潜力。

关键词:古斯-汉森位移，单层石墨烯，介电光栅，光子晶体，导模共振，表面等离极化激

元

Abstract

In1947,GoosandHänchenhavefirstexperimentallyobservedthatthereisalateralshiftofthe

reflectedbeamattheinterfacebetweentwodifferentmediawhentheconditionoftotalreflectionis

satisfied.ThisdisplacementisnowknownastheGoos-Hänchenshift.Thephenomenonexhibitshigh

sensitivitytosmallvariationsinthegeometricparameters,makingithighlypromisingforthe

applicationsinsensinganddetectionfields.Monolayergraphene,atwo-dimensionalhoneycomb

latticecomposedofcarbonatoms,hasattractedthesignificantattentionduetoitsoutstandingoptical

properties.Inrecentyears,therehasbeengrowinginterestinenhancingandcontrollingtheGoos-

Hänchenshiftsinthestructureswithmonola