基于时变各向异性层间介质的石墨烯表面等离子体极化激元时域放大波导

《Scientific Reports》：Strong amplification of graphene surface plasmon polaritons in a time-varying plasmonic waveguide using temporal anisotropy

　　

摘要

本文提出了一种时域等离子体波导，利用时变各向异性层间介质来显著放大石墨烯表面等离子体极化激元（GSPPs）。利用奥托棱镜构型，在中红外波段激发了由双层石墨烯结构支撑的 GSPPs。有限元仿真表明，将石墨烯层间介质的相对介电常数从空气状态调制至各向异性状态，随后再调制回空气状态，与传统的时不变等离子体波导相比，可以显著增强等离子体场。相应的色散分析表明，放大效应源于 GSPPs 在时域边界处经历的有效折射率的时域变化。系统研究了六个关键参数对放大的影响，包括费米能、入射频率、调制强度、层间距、时域平板数量以及两层石墨烯之间的费米能失配。结果表明，与传统的时不变构型相比，使用四个时域平板可以实现约 10⁶ 数量级的放大水平。此外，考察了石墨烯非线性电导率、材料色散与损耗以及石墨烯费米能的时域调制对最大电场幅度和放大水平的影响。这些结果为理解时域调制等离子体结构中石墨烯等离子体的放大机制提供了见解，并可能应用于非线性光学和等离子体传感领域。