MoO3异质结中可调控面内双曲声子极化激元的光学特性及应用研究
批准号:
62075070
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
李培宁
依托单位:
学科分类:
微纳光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李培宁
中文摘要
最新研究表明,三氧化钼晶体中存在面内双曲声子极化激元(HPhPs)。这些特殊的极化激元表现出极低的传播损耗和极强的电磁场限域能力,可显著增强中红外波段的光与物质相互作用,有丰富的光学和热学应用潜力,例如,亚波长成像、偏振器件、高集成波导、热辐射控制和化学传感。然而,面内HPhPs受限于材料的本征晶格振动,较难进行动态调节,不利于实现可调控的中红外微纳光学器件。针对这个问题,本项目提出构建两种特殊异质结构:石墨烯/三氧化钼、相变材料/三氧化钼。这两种异质结构中,三氧化钼HPhPs的传播特性可被石墨烯外加门电压或者相变材料的晶态-非晶态转化所改变,从而可以实现主动可调谐的HPhPs传播。在机理研究的基础上,我们将面向实际应用,研究基于面内各向异性HPhPs的可快速调控、超薄、高性能的中红外光偏振器件,重点研究偏振消光比、响应速度等重要器件指标,项目成果有望助力于新型红外微纳光学器件的发展。
英文摘要
It has been recently demonstrated that molybdenum trioxide crystals can support in-plane hyperbolic phonon polaritons (HPhPs). These polaritons exhibit low propagation loss and strong electromagnetic field confinement. They could enhance light-matter interaction at the mid-infrared frequencies for rich optical and thermal applications, such as sub-wavelength imaging, polarization devices, highly integrated waveguides, thermal radiation control, and chemical sensing. However, in-plane HPhPs are limited by the intrinsic lattice vibration, which cannot be tuned dynamically and thus are not suitable for realizing tunable mid-infrared nanophotonic devices. To overcome this problem, this project aims to create two special heterostructures: graphene / molybdenum trioxide, phase change materials / molybdenum trioxide. In these two heterostructures, the propagation of HPhPs can be controlled by adjusting the graphene gate voltage or by controlling the crystalline-amorphous transition of phase change materials. Consequently, active tuning of the HPhPs can be achieved. Our project will first study the propagation properties and the tuning mechanism of HPhPs in the heterostructures. Second, we will focus on practical applications and aim to achieve tunable, ultra-thin, high-performance mid-infrared polarization devices based on in-plane HPhPs. We will also investigate the device performance, including the minimal device thickness, the polarization-dependent extinction ratio, and the tuning speed. The results will be useful for the development of novel mid-infrared nanophotonic devices.
三氧化钼(MoO3)等极性原子晶体中存在的面内双曲声子极化激元(HPhPs)具有极低的传播损耗和强电磁场束缚能力,能突破衍射极限的束缚,实现较高的红外电磁场限域,为发展高灵敏红外探测技术提供重要支撑。本项目针对面内双曲声子极化激元难以动态调节的问题,开展可调控面内双曲声子极化激元的理论和实验研究。围绕上述科学目标,项目组积极开展工作,切实保证研究时间,有序推进并顺利完成项目任务书规定的各项目标,取得多项具有重要国际影响力的原创性成果。完善了三氧化钼中双曲极化激元的实空间近场光学表征,开展了异质结中杂化面内极化激元的理论和调控研究,理论上提出并研究了金属/三氧化钼/金属夹层结构中的“声学型”声子极化激元;构建了石墨烯/三氧化钼二维异质结构,实验证明石墨烯掺杂使异质结中杂化极化激元等频线发生拓扑转变,并基于衬底介电环境设计实现了极化激元传播模式的纳米聚焦;提出了利用新型等离激元相变材料铟锑碲调节双曲极化激元波前,通过级联极性范德华异质结研究声子极化激元的宽谱响应;首次发现“幽灵”极化激元和“剪切”极化激元两种电磁新模式,实现超长距离的亚波长无衍射定向光传输;提出近场光学天线调控和材料原子替换调控方法,实现亚波长无衍射定向光传输的动态调控和按需设计;发展近场时域干涉技术和高维近场时空数据处理方法,实现各向异性光场的纳米飞秒超快超分辨成像。研究工作受到广泛关注和引用,入选2021中国光学十大进展和2021美国光学学会年度进展(封面推荐)。在本项目的资助下,项目组共发表SCI收录论文26篇,其中项目成员为(共同)通讯作者的文章22篇,Nature、Science、NS子刊等JCR一区文章17篇;申请专利4项;培养博士后3人(已出站2人),研究生18人,其中已毕业博士生3人、硕士生1人。
国内基金
海外基金