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文献类型

78 篇 学位论文
30 篇 期刊文献

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108 篇 电子文献
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- 1 篇 生物医学工程（可授...
- 1 篇 生物工程
39 篇 理学
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1 篇 医学
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主题

108 篇 连续域束缚态
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21 篇 太赫兹
8 篇 全介质超表面
7 篇 强耦合
7 篇 传感器
7 篇 光子晶体
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6 篇 fano共振
6 篇 超构表面
5 篇 传感
5 篇 品质因子
5 篇 折射率传感
4 篇 高品质因子
4 篇 耦合模理论
4 篇 高q因子
4 篇 表面等离激元
4 篇 smith-purcell辐射...
4 篇 圆二色性
4 篇 超材料

机构

8 篇 山东师范大学
7 篇 哈尔滨工业大学
6 篇 天津大学
5 篇 东南大学
4 篇 华中科技大学
4 篇 桂林电子科技大学
4 篇 北京邮电大学
4 篇 中国计量大学
4 篇 南昌大学
4 篇 西安理工大学
4 篇 湘潭大学
3 篇 湖南科技大学
3 篇 西安电子科技大学
3 篇 哈尔滨工程大学
2 篇 上海师范大学
2 篇 河北工程大学
2 篇 山东科技大学
2 篇 厦门工学院
2 篇 安徽师范大学
2 篇 华侨大学

作者

3 篇 李继涛
3 篇 姚建铨
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2 篇 王玥
2 篇 张达篪
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2 篇 石鑫
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2 篇 wang yue
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语言

108 篇 中文

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THz超表面连续域束缚态(BIC)的研究

THz超表面连续域束缚态(BIC)的研究

引用

作者：刘航山东科技大学

学位级别：硕士

连续域束缚态(Boundstatesinthecontinuum,BIC)具有无限大品质因数(Qualityfactor,Qfactor),其退化后的准BIC(Quasi-BIC,QBIC)高Q因子的特性极大地增强了电磁辐射与物质之间的相互作用，其应用对空间变化的光学特性和光学响应有着独特... 详细信息

连续域束缚态(Boundstatesinthecontinuum,BIC)具有无限大品质因数(Qualityfactor,Qfactor),其退化后的准BIC(Quasi-BIC,QBIC)高Q因子的特性极大地增强了电磁辐射与物质之间的相互作用，其应用对空间变化的光学特性和光学响应有着独特的功能。近来，超表面由于具有精密调控、可重构性、成本低廉等优势，为高效调制微波到可见光波段提供了可靠的平台载体，特别地，为调制器件匮乏的太赫兹(Terahertz,THz)波段的研究工作铺平了道路。研究过程中，金属超表面具有固有的欧姆损耗并且超表面器件加工使用后，其功能随之固定。然而，较高载流子迁移率和强鲁棒性的狄拉克半金属(Diracsemimetal,DS)的可主动调谐性质为实现主动可调的BIC超表面器件提供了可能。本文利用DS研究了BIC可调谐超表面器件的应用，同时利用BIC固有的极化拓扑特性研究了光学涡旋(Opticalvortex,OV)束的发生，其主要研究内容如下:　　1.提出了一种基于DS的可调谐双类型BIC的产生以及可控的灰度成像器件。该器件由T-I型结构的DS组成。通过打破结构对称性,获得对称保护BIC(SymmetryprotectedBIC,SP-BIC),通过调节结构参数实现偶发BIC,其相应QBIC的Q因子可高达175左右。在共振频率几乎不变的同时，改变DS的费米能量实现了对其透射振幅的动态调控，振幅调制差约为46％。同时，基于振幅调制的原理设计实现了狄拉克半金属膜(Diracsemimetalfilm,DSF)超表面阵列的立体图形显示。　　2.提出了一种基于全介质的开缝的U型谐振臂的超表面，它在高频THz波段实现了三个BICs,其QBIC态的Q因子可达到104的数量级。同时通过改变结构参数可操控不同类型BIC的退化，全介质超表面(Alldielectricmetasurface,ADM)产生的QBIC应用于传感器，得到了三个QBIC的传感灵敏度，其中偶发QBIC的灵敏度可高达1717GHz/RIU,优值因子(Figureofmerit,FOM)可高达16670。另外，三个QBIC对THz入射角度的依赖度不同。最后，基于狄拉克半金属超表面(Diracsemimetalmetasurface,DSM)的可调谐传感器，实现了传感器的灵敏度和传感范围的主动调谐，突破了因固定结构而无法调谐传感性能的短板，为THz传感器提供一个宽广的平台。　　3.提出了一种基于THz超表面的十字交叉形的谐振器，通过利用动量空间BIC周围固有的缠绕拓扑实现了可代替在实空间中人工排列的OV束发生器。此外，通过调控十字谐振器的宽度实现了在Γ点的BIC合并，显著提高了Q因子，增强了场局域化。利用合并BIC周围的拓扑特性，设计了一个高阶OV发生器，从而切换改变入射频率和实现了高阶OV发生器与低阶OV发生器之间的切换，这类不需光对准样品中心的OV发生器为BIC在超表面中扩展了应用领域，并在调制轨道角动量(Orbitalangularmomentum,OAM)的功能应用上具有巨大的潜力。

关键词：可调谐超表面器件连续域束缚态太赫兹狄拉克半金属

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太赫兹超表面动态可调连续域束缚态及传感特性的研究

太赫兹超表面动态可调连续域束缚态及传感特性的研究

引用

作者：高靖翔山东科技大学

学位级别：硕士

太赫兹（Terahertz,THz）波由于能量较低，与物质的相互作用较弱，限制了THz应用的发展。利用超表面可以实现THz场局域化增强，获得高品质（Quality,Q）因子，成为进一步提升THz与物质相互作用的重要解决思路，具有广阔的应用前景。然... 详细信息

太赫兹（Terahertz,THz）波由于能量较低，与物质的相互作用较弱，限制了THz应用的发展。利用超表面可以实现THz场局域化增强，获得高品质（Quality,Q）因子，成为进一步提升THz与物质相互作用的重要解决思路，具有广阔的应用前景。然而，通常制备的超表面由于入射方向辐射通道的存在，具有较大的辐射能量损耗，共振的Q因子受到限制。近年来，一种具有无限高Q因子的特殊共振模式——连续域束缚态（BoundStatesintheContinuum,BIC）引起了科研人员的广泛关注。BIC是一种电磁波与物质的强相互作用，尽管其频率和动量可能与真空模式匹配，但它仍被完全束缚在共振系统中，对外没有任何辐射,所以具有无限高Q因子以及零共振线宽等特点。虽然完美的BIC在现实中无法实现,但是其辐射泄露模式——准BIC依然具有极高的Q因子以及极大的场增强。本文在实现高Q因子准BIC的同时，通过将可调谐材料引入超表面，设计了三种基于狄拉克半金属或二氧化钒（VO2）的BIC动态可调超表面，以实现准BIC共振的振幅或频率的可调谐功能，并测试了其在折射率传感方面的性能。具体的工作如下:　　1.设计了一种基于对称保护BIC的狄拉克半金属-金属混合超表面结构。通过改变不对称参数使得BIC状态退化为有限线宽及高Q因子的准BIC状态，通过计算得到准BIC的Q因子最大为147。分析了混合超表面和传统金属超表面的电场、磁场及表面电流并进行对比，解释了准BIC产生的物理机制，证明了狄拉克半金属-金属混合超表面的有效性。通过改变狄拉克半金属的费米能级，在保持谐振频率不变的条件下实现了BIC到准BIC的动态调制，其最大调制深度为84.6％。最后对超表面单元进行编码排列，通过分别施加不同的栅极电压，实现了传统静态BIC超表面无法实现的动态显示功能。　　2.设计了一个太赫兹波段VO2和金属混合的双功能BIC超表面，该超表面在室温环境（VO2电导率σ为10S/m）下，可以作为折射率传感器，当温度升高（σ为10S/m-1000S/m）时，则可作振幅调制器。首先，通过打破超表面的对称性，在0.6THz附近实现了高Q因子的准BIC谐振，得到的Q因子最大为182。分析了Q因子随不对称度的关系，并通过表面磁场、表面电场分布以及表面电流矢量确定了准BIC产生的物理机制。随后，我们通过将σ从10S/m增加到1000S/m,探究了不同电导率下的准BIC透射系数的变化规律,实现了准BIC到BIC的动态调制，并计算了其调制深度为69.6％。最后我们探究了混合超表面的传感性能，折射率灵敏度最大为149.6GHz/RIU,优值因子（FoM）最大为9.3。通过改变温度，我们在同一个超表面上同时实现了共振振幅调制器和折射率传感器两种功能。　　3.设计了一个基于狄拉克半金属超表面的动态可调超灵敏传感器，通过改变两个谐振器的水平旋转角度实现了高Q因子的准BIC共振。计算了透射系数中准BIC共振的Q因子，其中在θ=1°时得到了最大的Q因子为1260。通过调节狄拉克半金属的费米能级，实现了准BIC谐振频率的移动，并探究了共振频率移动的机制。最后，我们将超表面用于折射率传感检测，通过改变狄拉克半金属费米能级，实现了谐振频率可调谐的超灵敏传感，其中当费米能级为800meV、400meV、200meV时，准BIC谐振频率分别为8.78THz、8.62THz、8.24THz,超表面传感器灵敏度分别为2313GHz/RIU、2268GHz/RIU、2160GHz/RIU,传感器的FoM分别为106.5、72.7、54,所得到的灵敏度及FoM相较于上一章节所设计的传感器均提高了一个量级。BIC与可调谐材料的结合突破了传统超表面传感器只能实现固定频率检测的缺陷，为太赫兹超表面传感器的设计提供了一个新的思路。

关键词：动态可调超表面狄拉克半金属二氧化钒太赫兹连续域束缚态传感特性

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准连续域束缚态超构表面折射率传感及光谱成像应用

准连续域束缚态超构表面折射率传感及光谱成像应用

引用

作者：梁翠平湖南大学

学位级别：硕士

由于不同物质对光的吸收、发射或散射都会产生独特的光谱图像,通过对这些光谱图像的研究可以解析出对应物质的化学组成和结构等信息,因此光谱可以被视为物质信息的“指纹”。在提出的各种光谱检测策略中,基于超构表面的光谱检测由于具... 详细信息

由于不同物质对光的吸收、发射或散射都会产生独特的光谱图像,通过对这些光谱图像的研究可以解析出对应物质的化学组成和结构等信息,因此光谱可以被视为物质信息的“指纹”。在提出的各种光谱检测策略中,基于超构表面的光谱检测由于具有强大的光操纵能力而被寄予厚望,使得紧凑快速的光谱检测元器件成为可能。然而,目前基于超构表面的光学传感器的成熟研究多采用金属材料,但这些材料具有较大高的本征损耗,导致共振光谱展宽和传感灵敏度受到限制。此外,基于金属材料的元器件大多很难与半导体工艺制程兼容,这些受限制的功能阻碍了实际片上光谱检测的发展。与金属结构相比,高折射率全电介质纳米结构具有可忽略的热损失和同时操纵电/磁多极共振,且具有较强的近场束缚能力。因此,设计基于电介质材料的折射率传感器是未来发展趋势,同时也可拓宽光学传感器的易用性。针对超构表面折射率传感面临的困境,本文结合传感检测领域对小型化、高性能传感器的迫切需求,从三个方面开展了可见光波段介电超构表面的研究和应用。（1）利用二氧化钛电介质代替目前广泛应用的金属结构来产生谐振,设计了支持连续介质中束缚态的双原子介电超构表面,通过面内对称性破坏实现高质量的近场共振。研究了结构参数、光源入射角度与偏振对共振光谱的影响,展示了几乎覆盖可见光波段的结构色。并结合微纳加工工艺,对所设计超构表面结构进行了制备、表征以及光谱测试。（2）通过利用该结构的窄带共振特性,本工作提出了一个在可见光波段表现出高性能的光学折射率传感器。当环境折射率从1.0变化至1.5时,获得了167nm/RIU折射率灵敏度。通过在器件表面旋涂不同浓度的PMMA和沉积不同厚度的AlO来模拟吸附的生物层,实验上分别实现了102 nm/RIU和74 nm/RIU的折射率灵敏度,证明了其可以作为一种对周围环境折射率光谱检测的平台。（3）为了拓展所设计的高分辨率共振光谱的应用价值和实用性,将其视为一种反射滤波片并将其应用于光谱成像。采用插值算法,以8个光谱通道进行了详细的光谱成像仿真,更好的模拟和掌握了光谱成像的过程,这为高分辨光谱成像提供了新思路。

关键词：全介质超构表面二氧化钛连续域束缚态折射率传感光谱成像

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基于连续域束缚态的低损耗波导片上集成陀螺研究

基于连续域束缚态的低损耗波导片上集成陀螺研究

引用

作者：袁振坤广西大学

学位级别：硕士

片上集成陀螺是一种集成在芯片上的惯性测量装置,它利用硅基光波导及其构成的光波导敏感线圈来取代现有光学陀螺中的光传输介质实现角速度的测量。与传统的机械陀螺、光纤陀螺以及激光陀螺相比,该陀螺具有体积小、重量轻、响应速度快、... 详细信息

片上集成陀螺是一种集成在芯片上的惯性测量装置,它利用硅基光波导及其构成的光波导敏感线圈来取代现有光学陀螺中的光传输介质实现角速度的测量。与传统的机械陀螺、光纤陀螺以及激光陀螺相比,该陀螺具有体积小、重量轻、响应速度快、抗干扰能力强等优点,因此被广泛应用于导航定位、智能车辆、惯性导航以及智能家电等领域。近年来,随着微纳技术的发展,集成光学陀螺仪的制备工艺和性能得到了极大提升,成为陀螺仪领域的研究热点之一。然而,由于微纳空间下波导尺寸较小且平面光波导的损耗远大于光纤的损耗,导致陀螺仪的性能受到严重限制。针对这一问题,本文利用连续域束缚态（Bound state in the continuum,BIC）的独特机制,设计了一种超低损耗的集成敏感波导线圈,应用于片上集成光学陀螺仪。研究内容主要包括以下几个方面:（1）本文利用有限元法研究了BIC直波导和BIC弯曲波导的光学特性,通过对波导结构的设计和参数优化,确定了理想BIC波导的结构参数。优化后的结果表明,当直波导和弯曲波导的宽度为1.336μm时,两种波导的传输损耗同时达到最小值,满足BIC条件。在这种结构下,BIC直波导的传输损耗低至4.232×10-4 d B/m,品质因子Q值高达1.2375×1011。当弯曲半径为500μm时,BIC弯曲波导的传输损耗为5.5×10-3d B/m,品质因子Q为9.498×10～9。与传统的集成光学材料平台相比,本文所设计的BIC波导结构的传输损耗显著降低,品质因子也得到了提高。（2）本文以低损耗BIC波导结构的设计与仿真为基础,提出了一种超紧凑的阿基米德螺旋波导结构,作为集成光学陀螺仪的核心敏感部件。无源敏感线圈的性能直接影响到陀螺仪的灵敏度。该波导结构不仅能在有限的尺寸内增大敏感面积,同时还利用了BIC波导结构高Q值和低损耗的光学特性,极大地提高了陀螺的性能。在理想BIC波导结构下,波导宽度为1.336μm,波导厚度为500 nm,薄膜硅层厚度为400 nm,二氧化硅厚度为2.0μm。通过仿真计算可知,当波导线圈N取239时,得到的陀螺性能最优,此时灵敏度为0.6699°/s。本文设计的BIC低损耗光波导结构不需要蚀刻高折射率的光学功能材料,因此本工作也有效地解决了单晶材料在各种集成光芯片上的刻蚀问题。本论文研究是BIC光波导在集成光学陀螺仪上的首次应用,为惯性传感器的微型化和集成化提供了一种新的思路和技术支持。该工作具有重要的应用价值和科学意义,有助于推动BIC在陀螺仪中的应用,并进一步促进相关陀螺仪领域的发展。

关键词：光波导集成光学陀螺连续域束缚态超低损耗敏感线圈

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光子晶体波导中的连续域束缚态研究

光子晶体波导中的连续域束缚态研究

引用

作者：高兴未浙江大学

学位级别：硕士

光波导中的光学谐振态分为导播模式、辐射模式和连续域内的束缚态(Bound States in the Continuum,BIC)。谐振态满足横向法布里佩罗谐振原理。其中,辐射模式的发散性来自波导内的本征态和背景辐射通道的耦合。连续域束缚态是辐射态中的... 详细信息

光波导中的光学谐振态分为导播模式、辐射模式和连续域内的束缚态(Bound States in the Continuum,BIC)。谐振态满足横向法布里佩罗谐振原理。其中,辐射模式的发散性来自波导内的本征态和背景辐射通道的耦合。连续域束缚态是辐射态中的奇异值,尽管在背景中存在着可以耦合的辐射通道,其能量依然束缚在波导内。连续域束缚态的这种特殊性质使其在谐振器、激光器和滤波器的设计中具有良好的应用前景。本文提出一种基于模式展开理论的数学方法来研究光子晶体波导中的谐振态和能带结构。该方法从理论上揭示了三种光学谐振态的形成机制,同时对色散关系和模场分布提供精确的数值计算。本文的研究结果表明,辐射波来自波导内的多个本征模式在边界上的能量耦合。当耦合分量之间产生相消干涉时,辐射波被抵消,模式的全部能量被束缚在波导内,形成BIC。在色散空间中,本文发现了处于原点和布里渊区边界处的BIC以及远离对称点的Friedrech-Wintgen BIC。通过调整背景的结构参数,该数学模型还预言了BIC湮灭现象。本文进一步研究了结构对称性对BIC的影响,以及空间-时间反演(PT)对称系统中的BIC和激光态。对于三维系统,本文研究了通信系统中最常用的光纤光栅结构,运用模式展开法找到了光纤光栅结构中的BIC。这些研究成果为连续域束缚态的应用起到了理论指导作用,对于设计更高性能的滤波器、传感器和激光器等设备有重要意义。

关键词：连续域束缚态光子晶体谐振态波导

来源：评论

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单/双层微纳周期结构的连续域束缚态机理及调控研究

单/双层微纳周期结构的连续域束缚态机理及调控研究

引用

作者：田光湖南科技大学

学位级别：硕士

连续域束缚态(Bound states in the continuum,BIC)具有理论上为无限高的质量因数(Q因子)和对系统参数变化的鲁棒性(Robust)等内在特性,从而使其在光子学、光通信、生物传感和光伏等诸多领域上应用前景十分广阔。本论文主要研究纳米孔... 详细信息

连续域束缚态(Bound states in the continuum,BIC)具有理论上为无限高的质量因数(Q因子)和对系统参数变化的鲁棒性(Robust)等内在特性,从而使其在光子学、光通信、生物传感和光伏等诸多领域上应用前景十分广阔。本论文主要研究纳米孔状型和纳米棒型(纳米线)光子晶体(Photonics Crystal,Ph C)平板中的BIC的特性及其调控,并在光子晶体平板层数上对BIC进行研究。使用时域有限差分法(FDTD)和耦合模理论(CMT)相互比较来提高研究结果的合理性。本文研究内容如下:首先,探究单层H形状纳米孔阵列的BIC机理及调控。通过调节H孔中心位置、孔大小、周围介质的折射率和晶格常数,得到两种模式的BIC,并研究结构参数对其的调控作用。其次,研究一维纳米棒阵列的BIC机理及调控。通过调节纳米棒尺寸、位置和折射率,讨论BIC的机理及调控。然后,分析双层一维纳米棒阵列的BIC机理及调控。通过调节棒的尺寸和位置、双层结构的间距以及周围介质的折射率,获取BIC的入射角和中心波长以及数量的变化情况。研究结果表明,三种微纳结构都能出现at-ΓBIC和off-ΓBIC,且前者受结构的对称保护,当对称性遭到破坏时消失,后者跟结构的对称性关系不大,在各种结构参数下都可以经调谐得到。两种模式的BIC都具有很高的品质因子,理论上达到无穷大。此外,在纳米棒结构的研究中发现,单层纳米棒结构的反射谱中两种模式的共振峰均各自出现一次,而双层纳米棒结构的反射谱中,两种模式的共振峰各自出现两次,这说明在不引入每层结构复杂度的情况下,可以通过结构的层数增减实现对BIC个数的调控。研究结果对新型光子器件的设计可以提供一些理论指导。

关键词：连续域束缚态光子晶体板微纳孔品质因子

来源：评论

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基于连续域束缚态模式的纳米激光研究

基于连续域束缚态模式的纳米激光研究

引用

作者：毕伟林山东师范大学

学位级别：硕士

随着技术的进步,光子器件的尺寸越来越小,到目前为止其尺寸最小可以达到纳米量级。其中在对光子器件的研究中,纳米激光器的小型化和集成化得到了不断深入地探索。激光器中的光是以驻波的形式被限制,限制光而不吸收光是激光器的关键问题... 详细信息

随着技术的进步,光子器件的尺寸越来越小,到目前为止其尺寸最小可以达到纳米量级。其中在对光子器件的研究中,纳米激光器的小型化和集成化得到了不断深入地探索。激光器中的光是以驻波的形式被限制,限制光而不吸收光是激光器的关键问题。传统的激光器使用光学腔来实现激光行为,该激光腔利用反射镜、全内反射或光子晶体周期性结构中的散射来捕获光。对于这些系统,Q因子相对来说较小,且Q因子仅微弱地依赖于腔的几何形状。因此我们需要找到一种高Q因子且可控的激光器。最近几年,连续域束缚态（Bound states in the continuum,简称“BIC”）因为其具有无限高Q因子的无辐射状态引起了各大课题组的研究兴趣。真正的BIC只有在无限系统的理想状态下才能产生,在材料吸收以及结构的限制真正的BIC会转变为准BIC。准BIC具有超高的Q因子和微小辐射,同样得到了广泛的关注。它可以应用到传感器、激光器、滤波器等众多领域,其中我们主要是对基于准BIC模式的激光行为进行研究。基于准BIC模式的纳米激光相比传统激光器有很大的优势,比如低阈值、产生高Q共振的定向激光以及易调谐激光波长等。在本论文中,从理论上主要是对基于准BIC模式的纳米激光器展开研究,主要的研究结果如下:（1）利用高折射率全介电材料对偏心圆环的光谱特性进行研究。通过加入一个不对称参数偏移量d,比较在有无d情况下圆环的光谱特性。由于受对称保护,当d≠0时反射光谱会出现一个非常尖锐的峰。改变结构参数观察光谱特性,并且准确地计算出每个参数结构的Q因子,Q因子最大可以达到9.6×10～4,高Q因子的特性使得偏心圆环非常适合用于激光。用FDTD Solutions软件对偏心圆环的激光行为进行仿真,实现了基于准BIC的纳米激光。得到激光阈值仅有6.46μJ/cm2并且可以通过控制偏心纳米环的结构参数来调节激光波长和阈值。同时我们还比较不同材料的偏心纳米环的光谱特性和激光行为。（2）我们提出一种全新的纳米结构,对全介电材料的偏心纳米球进行光谱特性和激光行为的研究。与偏心纳米环的研究类似,当d≠0时反射谱线中会出现两个非常尖锐的峰。其中一个共振峰处的电场分布主要分布在内球和外球壳上,另一个峰处的电场只分布纳米球的空腔中。我们主要是对前者做出讨论研究,当不对称参数越小时,Q因子和局域电场值就越大,准BIC就越接近真正的BIC。基于这两个优势,发现其激光阈值比偏心纳米环的阈值要低很多,仅为2.3μJ/cm2,因此非常适用作为激光器。

关键词：纳米激光连续域束缚态高Q因子低阈值全介电纳米结构

来源：评论

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光子晶体微腔中的连续域束缚态及其传感应用研究

光子晶体微腔中的连续域束缚态及其传感应用研究

引用

作者：刘笑北京邮电大学

学位级别：硕士

连续域束缚态(BIC)因其线宽极窄,品质因子(Q)无穷大的优势被认为是实现超高Q的新机制,引起了国内外研究学者的广泛关注。目前,BIC已被证明在超表面、光波导、光栅和光子晶体等结构中存在,并实现了许多高性能的应用,如非线性增强、超灵... 详细信息

连续域束缚态(BIC)因其线宽极窄,品质因子(Q)无穷大的优势被认为是实现超高Q的新机制,引起了国内外研究学者的广泛关注。目前,BIC已被证明在超表面、光波导、光栅和光子晶体等结构中存在,并实现了许多高性能的应用,如非线性增强、超灵敏传感、低阈值激光器等。其中,光子晶体因其独特的光子控制特性(光子带隙和光子局域化),已成为实现光学传感器、光开关和激光器等器件的理想平台之一。特别是,一维光子晶体具有结构紧凑、易与总线波导集成、CMOS兼容特性等优势,在超高灵敏光学传感方面吸引了众多学者的研究兴趣。与传统光子晶体传感器相比,基于BIC的传感器可以直接用外部光源激发,无需特殊的耦合机制。因此,一维光子晶体中BIC的研究为实现超灵敏光学传感提供了一种新的方法。本文基于完美态一维光子晶体,利用三维时域有限差分方法(3D-FDTD),验证BIC的存在。在此基础上,对上述结构引入缺陷,提出缺陷态一维光子晶体(即,一维光子晶体微腔),验证准BIC的存在,并进一步研究其传感性能。具体研究工作如下:第一,基于完美态一维光子晶体,提出并数值证明该结构存在BIC。基于3D-FDTD仿真平台,首先深入研究了一维光子晶体结构参数(孔长度、孔宽度、周期和孔数量)对谐振模式的影响,从而完成一维光子晶体结构的设计。然后通过研究不同平面波入射角度(θ)下的谐振波长和Q,发现θ≈0°时的Q值趋于无穷大,从而证明了BIC的存在。在此基础上,在不同平面波入射角度下,基于模式偏移机制研究环境折射率改变引起谐振波长的变化,分析传感灵敏度对θ的敏感性,其灵敏度高达274nm/RIU(θ=15°),灵敏值(FOM)为368。与基于禁带模式的一维光子晶体传感器相比,基于BIC的一维光子晶体不仅具有超高Q,且具有直接用外部光源激发和自由空间耦合等特性,为实现高灵敏折射率传感器提供了新的途径。第二,基于缺陷态一维光子晶体,证明了准BIC的存在。通过对上述完美态一维光子晶体引入孔长度、孔宽度和周期缺陷,分析不对称参数α对Q值的影响。当引入孔长度缺陷,α=0.001μm时,实现了高Q准BIC(～4.1×107)。在此基础上,进一步分析其传感性能,实现了灵敏度和FOM分别为82.5 nm/RIU和3.2 × 106的折射率传感,与传统一维光子晶体微腔传感器的FOM相当。基于准BIC的一维光子晶体微腔被认为在实现超高灵敏值折射率传感应用方面具备巨大的潜力,并对需要极高Q因子的应用提供了独特的机会。

关键词：光子晶体微腔连续域束缚态高Q因子折射率传感

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准连续域束缚态增强的非线性光学性质研究

准连续域束缚态增强的非线性光学性质研究

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作者：李鑫山东师范大学

学位级别：硕士

光子学中的连续域束缚态（BICs）,具有超高的品质因子和局域场增强,能极大增强光与物质的相互作用。目前,光子学BICs在非线性光学、相干光产生、传感器、滤波器、量子光学等领域都有广泛研究与应用,是纳米光子学研究前沿课题与热点领域... 详细信息

光子学中的连续域束缚态（BICs）,具有超高的品质因子和局域场增强,能极大增强光与物质的相互作用。目前,光子学BICs在非线性光学、相干光产生、传感器、滤波器、量子光学等领域都有广泛研究与应用,是纳米光子学研究前沿课题与热点领域之一。本论文主要数值研究了基于准BICs的全介质纳米共振结构中增强的非线性光学响应,对实验设计与制备基于准BICs的非线性光学器件具有重要指导意义和研究价值。本论文的主要研究内容和结论有:1.数值设计了准连续域束缚态随入射角可调的、具有超高Q因子的全介质氮化硅（Si N）共振波导光栅（RWG）结构,并计算了其非线性光学谐波产生增强。与传统Si N RWG相比,新型RWG结构中的二次谐波产生（SHG）和三次谐波产生（THG）分别增强了10～3和10～6,与平面Si N薄膜相比,甚至分别达到10～8和1010。更重要的,准BICs的谐振波长可以通过改变入射角度进行有效调节,而几乎不影响SHG和THG响应的增强,从而使得RWGs在很宽光谱范围内实现高效谐波产生。结果表明,基于准BICs的全介质RWGs在可集成非线性光子器件中具有重要潜在应用。2.数值计算了工作于准连续域束缚态的全介质RWG纳米结构中的光学双稳态。得益于准BICs的超高Q因子及极大增强的局域电场,实现了100 W/cm2量级超低阈值的光学双稳态转变强度。此外,RWG纳米结构中的共振波长可以通过入射角度进行广泛调整,而Q因子仅略有变化,这使得具有超低阈值的光学双稳态器件能够在宽光谱范围内有效工作。数值讨论了实际制造过程中可能引入的光栅缺陷对光学性能的影响,确认了器件的光学性能对缺陷具有很大的容忍度。结果表明,可以在全介质RWG纳米结构中实现由准BICs驱动的宽带和超低阈值的光学双稳态器件,应用于高性能全光器件。3.数值计算了准连续域束缚态下,考虑材料光克尔效应时的全介质纳米共振结构中SHG的转换效率。以典型非线性材料砷化铝镓（Al Ga As）为例,计算了工作于准BICs下基于Al Ga As的RWG结构及对称性破坏的双椭圆形超表面的SHG转换效率。结果表明,由于准BICs下纳米结构中局域电场的极大增强会造成介质折射率的改变,进而改变准BICs的峰位,从而使得在准BICs工作的纳米结构中,SHG转换效率远远低于不考虑电介质的非线性折射时的传统预期值,得到了最终的SHG转换效率。该研究对设计和理解具有超高Q因子的高效非线性超表面具有重要意义。

关键词：连续域束缚态非线性光学共振波导光栅光学双稳态

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H型全金属超结构太赫兹连续域束缚态及在传感中的应用研究

H型全金属超结构太赫兹连续域束缚态及在传感中的应用研究

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作者：王乐乐上海师范大学

学位级别：硕士

在太赫兹波段,基于二维超结构的谐振模式在理论与实验方面有大量研究。然而,大多数超结构受辐射损耗和材料损耗的影响,其谐振Q因子仅为几十甚至更低,限制了其在超窄带宽、高Q因子传感等太赫兹领域的应用。连续域束缚态(Bound state in t... 详细信息

在太赫兹波段,基于二维超结构的谐振模式在理论与实验方面有大量研究。然而,大多数超结构受辐射损耗和材料损耗的影响,其谐振Q因子仅为几十甚至更低,限制了其在超窄带宽、高Q因子传感等太赫兹领域的应用。连续域束缚态(Bound state in the Continuum,BIC)是一种理论上具有无限Q因子的谐振模式。BIC的引入为提高超结构的Q因子提供了新的思路。通过打破结构对称性,可以实现BIC与入射波的耦合,获得具有高Q因子的准BIC谐振。因此,本文设计了一种基于H型阵列的太赫兹全金属超结构,通过引入BIC,获得了具有高Q因子的谐振模式,并将其应用于太赫兹薄膜传感。具体研究如下:(1)通过改变结构参数,破坏了结构的镜像对称性,激发了准BIC模式,其Q因子与不对称参数有关。仿真结果表明,所提出结构可以获得180的模拟Q因子。由于误差和测试系统分辨率的影响,实验Q因子为79,高于已报道的超结构Q因子。(2)深入研究了不同结构参数对准BIC频率和Q因子的影响。结果表明,由于金属上下表面之间的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)耦合较强,超结构的厚度越小,其Q因子越高。与此同时,改变结构间隙宽度时,共振峰随其结构间隙宽度的增加向高频方向移动。因此,通过控制结构的宽度,可以实现准BIC在整个频域范围的调控。另外对于全金属谐振器,使用较高电导率的材料可以提高Q因子。(3)在超结构表面贴附介质膜,通过改变介质膜厚度和折射率,进一步研究了两种不同结构参数的超结构传感性能。当介质膜厚度为25μm时,实验测量的灵敏度为63.01 GHz/RIU,而仿真上获得了151.02 GHz/RIU和18.77的高灵敏度和性能系数的值。当厚度为50μm时,实验测得的灵敏度为143.02GHz/RIU,仿真灵敏度为205.57 GHz/RIU。(4)研究了准BIC对石墨烯的传感响应情况。讨论了分离石墨烯的电化学鼓泡法及其注意事项。研究发现石墨烯可以消除高Q因子的准BIC。该结果表明样品对超薄的单层石墨烯有十分灵敏的响应,消失的准BIC峰应证了所设计的超结构具有灵敏的传感特性。本文研究结果表明,这种全金属超结构在化学和生物分子传感领域具有很大的实际应用潜力。

关键词：太赫兹连续域束缚态全金属超结构传感器石墨烯

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