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波导模型（表面等离激元、石墨烯等）本征模式分析、各种类型波导传输效率求解

news 来源：原创 2025/5/16 7:56:13

波导模型本征模式分析

波导模型的本征模式分析是研究电磁波在波导中传播特性的基础。对于表面等离激元（SPP）和石墨烯等材料，本征模式分析通常涉及求解麦克斯韦方程组，并结合材料的边界条件。

表面等离激元（SPP）本征模式分析

表面等离激元是金属与介质界面上的电磁波模式，其本征模式可以通过求解麦克斯韦方程组和边界条件得到。对于金属-介质界面，SPP的传播常数 ( k_{SPP} ) 可以表示为：

[
k_{SPP} = k_0 \sqrt{\frac{\epsilon_m \epsilon_d}{\epsilon_m + \epsilon_d}}
]

其中，( k_0 ) 是自由空间波数，( \epsilon_m ) 和 ( \epsilon_d ) 分别是金属和介质的介电常数。

石墨烯波导本征模式分析

石墨烯作为一种二维材料，其波导模式分析需要考虑其独特的电导率特性。石墨烯的表面电导率 ( \sigma ) 可以通过 Kubo 公式计算：

[
\sigma(\omega) = \frac{ie^2}{\pi \hbar} \left[ \frac{1}{\omega + i\tau^{-1}} \int_0^\infty \epsilon \left( \frac{\partial f_d(\epsilon)}{\partial \epsilon} - \frac{\partial f_d(-\epsilon)}{\partial \epsilon} \right) d\epsilon + \int_0^\infty \frac{f_d(-\epsilon) - f_d(\epsilon)}{(\omega + i\tau^{-1})2 - 4\epsilon^2/\hbar2} d\epsilon \right]
]

其中，( \omega ) 是角频率，( \tau ) 是弛豫时间，( f_d(\epsilon) ) 是费米-狄拉克分布函数。

波导传输效率求解

波导的传输效率通常通过计算传输系数 ( T ) 来评估，传输系数定义为输出功率与输入功率的比值。

表面等离激元波导传输效率

对于表面等离激元波导，传输效率可以通过计算 SPP 的传播损耗来评估。SPP 的传播损耗 ( \alpha ) 可以表示为：

[
\alpha = 2 \text{Im}(k_{SPP})
]

传输效率 ( T ) 可以通过以下公式计算：

[
T = e^{-\alpha L}
]

其中，( L ) 是波导的长度。

石墨烯波导传输效率

石墨烯波导的传输效率可以通过计算石墨烯的损耗和波导的耦合效率来评估。石墨烯的损耗 ( \alpha_g ) 可以表示为：

[
\alpha_g = \frac{2 \text{Im}(\sigma)}{\epsilon_0 c}
]

传输效率 ( T ) 可以通过以下公式计算：

[
T = e^{-\alpha_g L}
]

其中，( L ) 是波导的长度。

代码示例

以下是一个简单的 Python 代码示例，用于计算表面等离激元波导的传输效率：

import numpy as np# 参数定义
epsilon_m = -10 + 1j  # 金属介电常数
epsilon_d = 2.25      # 介质介电常数
k0 = 2 * np.pi / 1.55e-6  # 自由空间波数
L = 1e-3  # 波导长度# 计算 SPP 传播常数
k_SPP = k0 * np.sqrt((epsilon_m * epsilon_d) / (epsilon_m + epsilon_d))# 计算传播损耗
alpha = 2 * np.imag(k_SPP)# 计算传输效率
T = np.exp(-alpha * L)print(f"传输效率: {T}")