CN107843947A - 一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器 - Google Patents

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黄鹏
王猛
田佩轩
朱正
史金辉
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Abstract

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种用于特种光束生成和光束整形领域中的基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器。本发明由二氧化硅作为衬底，衬底上有周期性排列的耦合光栅阵列和纳米槽阵列，单层石墨烯铺置于衬底上构成。该SPP特种光束发生器模式束缚能力强，光束传播距离超长，在微光学粒子操纵和光束整形中具有重要意义；由于石墨烯自身方便的可调谐性和材料柔性，该器件可提供动态的调节性能，易于实际操作；该发生器可工作在中红外波段及太赫兹波段，而太赫兹波段的SPP波恰好处于生物的敏感波段，因此在生物传感领域具有广泛的应用潜力。

Description

一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种用于特种光束生成和光束整形领域中的基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器。
背景技术
基于对光波振幅和相位调制的光束整形及操控是目前研究的热点之一，在光学微操控和光学微捕获等领域拥有着重要地位。大多数光束整形技术依靠线性光学器件，因此只能在单一波长或者设定的参数下工作，无法从外部进行调节。最近，一种基于相位变换材料的多波长消色差光束聚焦器件问世，通过对器件施加电压、改变温度或是改变入射光可以实现对光束的调控。
非衍射Airy光束由于其横向加速、自重构等独特的性质受到了极大地关注。这种光束传播距离较长，可以在操控中利用微小粒子对光散射力进行长距离的引导。表面等离激元能在金属表面形成严格约束的光场。实验中已实现了沿金属薄膜表面传播的等离激元Airy光束的激发。
石墨烯的机械、电子以及光学性能可以通过化学掺杂和外部加电压改变费米能级来进行操控。由于以上优势，由单层碳原子组成的石墨烯成了可调节光学器件中的热门材料，特别是在红外和太赫兹波段。研究发现石墨烯表面等离激元相比于金属表面等离激元具有更强的纵向局域以及表面束缚能力，其光束传播距离超长，加上石墨烯本身所具有的良好的可调谐性能，这一系列的优点使得基于单层石墨烯的表面光束发生器具有着十分可观的潜力。较大的相位调制范围对于光束整形技术来说十分重要，然而介质层上的单片石墨烯厚度太薄，光与石墨烯的相互作用太微弱导致只依靠改变石墨烯阵列带的宽度或费米能级难以实现2π范围内的相位调制。为了克服这些缺点，本发明提出石墨烯被铺置于介质衬底表面用来激发石墨烯表面等离激元，在衬底表面刻写纳米槽阵列以实现对石墨烯表面等离激元的相位调制以得到需要的特种光束。
该器件同时具备电可调谐性能，可以实现对光束的外部操控，与目前通用的SPP光束产生装置相比具有更好的可调谐性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明由二氧化硅作为衬底，衬底上有周期性排列的耦合光栅阵列和纳米槽阵列，单层石墨烯铺置于衬底上构成。所述的纳米槽阵列是利用聚焦离子束在衬底表面刻写形成的。
所述的耦合光栅满足波矢匹配条件来激发表面等离激元特种光束，其中a为入射光与石墨烯夹角，a为耦合光栅常数，n为任意正整数。
所述的纳米槽阵列在z轴方向上的晶格常数不变且相同。所述的纳米槽阵列在x轴方向上晶格常数以梯度变化。
所述的激发的表面等离激元特种光束在单层石墨烯表面的界面沿z方向传播。
所述基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器工作在太赫兹及中红外光波段。
本发明的有益效果在于：
1、该SPP特种光束发生器模式束缚能力强，光束传播距离超长，在微光学粒子操纵和光束整形中具有重要意义；
2、由于石墨烯自身方便的可调谐性和材料柔性，该器件可提供动态的调节性能，易于实际操作；
3、该发生器可工作在中红外波段及太赫兹波段，而太赫兹波段的SPP波恰好处于生物的敏感波段，因此在生物传感领域具有广泛的应用潜力。
附图说明
图1是石墨烯表面特种光束发生器的结构示意图；
图2是石墨烯表面特种光束发生器的侧面剖视图；
图3(a)是透射率T、反射率R和吸收率A随耦合光栅常数的变化关系图；
图3(b)是耦合光栅常数为290nm，石墨烯等离子体具有最大吸收系数33％时的电场模分布图；
图4是SPP波以0°角入射至纳米槽阵列时的布拉格衍射示意图；
图5是衍射的SPP波衍射角随x方向上晶格常数变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
本发明器件由二氧化硅衬底及其表面的耦合光栅，利用聚焦离子束在衬底表面刻写纳米槽阵列结构，及在衬底表面铺置单层石墨烯构成。其工作原理是基于光衍射效应，通过耦合光栅和单层石墨烯，入射光可激发出沿石墨烯表面传输的SPP波，再利用纳米槽阵列使石墨烯表面的SPP波产生衍射，通过纳米槽的晶格常数变化对表面等离激元波的相位进行调制，得到需要的平面特种SPP光束。该发生器可工作在中红外波段及太赫兹波段。
基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，器件由二氧化硅衬底3及其表面的耦合光栅1，利用聚焦离子束在衬底表面刻写纳米槽阵列结构2，及在衬底表面放置单层石墨烯1构成。耦合光栅4和纳米槽阵列2位于二氧化硅衬底3上，单层石墨烯1铺置于二氧化硅衬底3上；纳米槽阵列2在z轴方向上具有相同的晶格常数；纳米槽阵列2在x轴方向上晶格常数是梯度变化的。
如图2所示，当平面光波倾斜入射到耦合光栅结构上时，在光栅结构上有波矢匹配条件：其中a为入射角度，a为光栅常数，n为任意正整数。可以通过适当调整入射角度a和频率，可以使n为某值时达到波矢匹配，从而使光波耦合成为表面等离激元波。
满足一定条件的非周期阵列可以把SPP的线性相位改变成非线性，为调制石墨烯表面SPP的相位使其满足所需特种光束的产生条件，需要在x方向加入非周期的阵列。根据布拉格条件，一束入射的SPP波会在理想周期中衍射至一个确定的方向，但在非理想周期情况下，类似的衍射也会发生，只是会损失一部分的光强，因此可以通过改变局域晶格常数来改变衍射的方向。当在x轴上使用梯度式晶格常数的阵列时，被激发的SPP波会在不同的位置以不同的衍射角发生衍射，就能在每个晶格获得相应的相位改变f(x)＝f0+ksppx-2mp。因此对于给定的入射角我们可以对不同位置纳米槽的局域晶格常数进行调制来获得需要的相位改变，最终得到所需的平面传播的SPP特种光束。
所述基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器可以对激发的SPP特种光束实现2π范围内的相位调制。
所述基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器可以工作在太赫兹及中红外光波段。
实施例1：以基于平面衍射的石墨烯表面Airy光束发生器为例，取图1中的一个耦合光栅单元截面进行分析。石墨烯的电导率通过利用Kubo方程计算，中红外波段二氧化硅的介电常数设为3.9。这里设置槽深为100nm，单元的晶格常数为250nm到350nm，石墨烯厚度0.7nm，入射中红外光频率为34.88THz，石墨烯的化学势为0.65eV。使x方向偏振光垂直入射到石墨烯表面，图3(a)是透射率、反射率和吸收率随耦合光栅常数的变化关系，图3(b)是在耦合光栅常数为290nm，石墨烯等离激元具有最大吸收系数33％时的电场模分布。可以看出石墨烯表面产生了一个大幅增强的表面等离激元场，被紧紧束缚在石墨烯表面，沿y方向的传播深度约为15.5nm。
为调制石墨烯表面的等离激元的相位使其满足Airy光束的产生条件，需要实现对SPP波的相位调制。由于布拉格衍射条件，当SPP波传输至纳米槽阵列区域时会发生类似于图4中的衍射，衍射角会随着纳米槽单元在x方向上的局域晶格常数变化而变化，这里的kspp,i和kspp,d分别是入射和衍射SPP波的波矢方向，衍射角随x方向上晶格常数的理论变化关系如图5所示。设θ为所需要的Airy光束主波包轨迹切线与z轴的夹角，在垂直于该切线的方向虚拟一个初始轴x并推导出此处的转换相位信息f(x)＝f(x)-ksppb＝2mp+ksppx-ksppb，这里的 这里的ax即为x方向上纳米槽的局域晶格常数。通过以上提出的相位调制方法，对于一个给定的入射角θ，对应的x轴上的相位关系可以表示为
这里公式中的f(x)为满足Airy光产生条件的相位，x0是常数，其大小决定Airy光束波包的加速度。根据公式fm(x)＝kx+2mp可以通过解出等式fm(x)＝y(x)来确定第m级衍射单元的位置，最终计算出纳米槽阵列的具体排列。这里设置SPP波长lspp为632.8nm，所需的Airy光束主波包轨迹切线与z轴的夹角θ约为20°，x0＝1.08，图1为得到相应Airy光束所需的纳米槽阵列结构示意图。纳米槽阵列2在z轴方向上具有相同的晶格常数620nm，在x轴方向上局域晶格常数从420nm到780nm以梯度10nm逐渐增加。按上述参数制备样品，即可得到表面Airy光束，基于类似的原理，任意形状的光束均可得到。该器件同时具备电可调谐性能，可以通过改变化学掺杂或外加电场来调节单层石墨烯的费米能级实现其调谐性，与目前通用的SPP光束产生装置相比具有更好的可调谐性能。
本发明提供了一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，该器件由二氧化硅作为衬底，衬底上有周期性排列的耦合光栅阵列和纳米槽阵列，单层石墨烯铺置于二氧化硅衬底上构成。该器件先通过耦合光栅使入射光激发出石墨烯表面等离激元波(SPP)，再利用纳米槽阵列使石墨烯表面的SPP波产生衍射，通过纳米槽的局域晶格常数对SPP波的相位进行调制，得到所需要的特种光束。利用这种新的相位调谐技术几乎可以对SPP光束实现任意的相位调制。该平面特种光束发生器可操控太赫兹和中红外频段内的表面等离激元波，产生的SPP特种光束具有较强的表面束缚能力和相对较低的传输损耗，并且由于石墨烯的电可调谐特性，该器件与目前通用的SPP光束产生装置相比具有更好的可调谐性能。

Claims (7)

1.一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：由二氧化硅作为衬底，衬底上有周期性排列的耦合光栅阵列和纳米槽阵列，单层石墨烯铺置于衬底上构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述的纳米槽阵列是利用聚焦离子束在衬底表面刻写形成的。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述的耦合光栅满足波矢匹配条件来激发表面等离激元特种光束，其中a为入射光与石墨烯夹角，a为耦合光栅常数，n为任意正整数。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述的纳米槽阵列在z轴方向上的晶格常数不变且相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述的纳米槽阵列在x轴方向上晶格常数以梯度变化。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述的激发的表面等离激元特种光束在单层石墨烯表面的界面沿z方向传播。
7.根据权利要求1所述的一种基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器，其特征在于：所述基于平面衍射的石墨烯表面特种光束发生器工作在太赫兹及中红外光波段。
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