基于二维狄拉克材料表面等离子体的模式耦合研究

The field of surface plasmons (SPs) is a vital branch of optics, it has important applications in opto-electronic devices, due to the high spatial confinement, strong interactions with light field and strong near field enhancement. However, conventional SPs of metals are limited in applications, due to their high losses, narrow band response and lack of tunability. In recent years, the emergence of 2D Dirac materials, whose band structures are Dirac cone shape, provides a new avenue for compact, low loss and tunable SPs devices. SPs of these materials have properties of low losses, broadband responses, and most importantly highly tunability. Graphene and surface state of topological insulators (TI) are typical 2D Dirac materials. In this project, based on the well-studied SPs of metals, guided by graphene SPs with rapid development, we will extend our study to the field of TI SPs. Further, based on these two kinds of SPs, we are going to study their complex hybridization with other optical resonant modes, including normal mode coupling and Fano resonances. We believe these hybridization will enhance interactions between light and matter, and have important potential applications in optical devices.

表面等离子体(SPs)是光学领域的一个重要分支，具有高空间局域性、与光场强相互作用以及强局域场增强等优异特性，在光电器件中具有重要应用。然而传统的金属SPs有着高损耗、窄带宽响应及无法主动调控的缺陷，限制了其实际应用。近年来，新出现的二维狄拉克材料，由于其独有的狄拉克锥形能带结构，其表面激发的二维SPs具有低损耗、宽带响应及可灵活主动调控的优势，为实现超紧凑、低损耗和主动可调的SPs器件指明了新的方向。石墨烯和拓扑绝缘体(TI)的表面态是代表性的二维狄拉克材料，在本项目中我们立足于已发展成熟的金属SPs，以正在快速发展的石墨烯SPs为指导，一方面将对SPs的研究拓展至TI的表面态，另一方面以这两种材料的SPs为基础，研究它们与其他光学谐振模式间的复杂耦合现象，包括正交模式分裂以及Fano共振现象。这些复杂的模式耦合将进一步加强光与物质的相互作用，并在多种光电器件中有着重要应用价值。

近年来，新出现的二维狄拉克材料，由于其独有的狄拉克锥形能带结构，其表面激发的二维SPs具有低损耗、宽带响应及可灵活主动调控的优势，为实现超紧凑、低损耗和主动可调的SPs器件指明了新的方向。另一方面，SPs与其他光学模式间相互耦合，将进一步加强光与物质的相互作用，使其在高灵敏度探测和非线性光学方面具有重要应用。.本项目主要开展了基于二维狄拉克材料SPs的谐振耦合研究，包括正交模式耦合与Fano共振现象。以研究成熟的金属SPs和正在快速发展的石墨烯SPs研究为基础，不断加深我们对这两种复杂耦合现象的理解，寻找合适的材料特性或光学谐振模式与二维狄拉克材料SPs耦合，以二维狄拉克材料SPs的优异特性为基础，实现正交模式耦合和Fano共振在实际SPs光学器件中的应用。.本项目的主要研究成果包括：.发表SCI论文13篇，其中一区论文1篇，二区论文5篇，其他SCI期刊论文7篇，取得1项授权发明专利， 1项专利正在申请阶段，毕业硕士3名。.主要研究工作有：.1.对二维狄拉克材料线性与非线性光学响应进行系统而深入的研究，为之后的研究工作打下坚实基础；.2.研究了二维狄拉克材料SPs与其他谐振模式的复杂耦合现象，包括Fano共振现象、正交模式劈裂现象，并将这些应用于高灵敏度传感器的设计，得到的传感器灵敏度相比传统SPs传感器均有极大提升；.3.研究了基于石墨烯SPs的其他新奇光学模式，例如磁光等离子体、非线性拓扑边界态、Tamm表面态等，并将这些结果应用于隔离器、全光开关的设计；.4.对光纤系统中的新奇模式耦合现象进行了研究，包括时空非互易光纤环形腔中实现对传感灵敏度的奇点增强效应，光纤环形腔中两种偏振模式间的非线性耦合效应及由此引起的矢量孤子现象。