CN108390156A - 基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件 - Google Patents

基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，属于电磁波探测和传感器件领域。电磁诱导透明器件包括若干同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括上层的石墨烯层和下层的介质层，且介质层固定在衬底器件上；通过对石墨烯进行刻画，形成一个个邻边开口的石墨烯方环；当石墨烯层一次性刻画完毕后，将衬底器件的中间挖空，最后镀一层导电胶。本发明对x方向和y方向偏振的线偏振光都具有相同的电磁诱导透明现象，在入射波的极化方式改变时，无需更换器件，并且本发明在不改变器件结构的情况下，通过调节外加电压，能够实现可调的电磁诱导透明现象，从而对可调太赫兹功能器件的发展具有重要指导意义和参考价值。

Description

基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件
技术领域
本发明属于电磁波探测和传感器件领域，具体是基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件。
背景技术
电磁诱导透明Electromagnetically-induced Transparency(EIT)是原子物理学中一个很重要的现象，其本质是在共振条件下，当光的频率与相应的原子跃迁频率相匹配时，光原子激发通道之间的量子相消相干，使介质在一个宽的吸收带中产生了一个很窄的透过峰。电磁诱导透明器件能够改变色散性质和减慢光速，在非线性器件、慢光器件、滤波器、传感器和光存储等方面都有重要应用。
太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3～3THz(波长在0.1～1mm)的电磁波，在生物医学成像、安全检查、产品检测、空间通信和武器制导等领域都具有重要的研究价值和应用前景。但由于常规材料很难在太赫兹波段发生电磁响应，特别是磁响应，所以太赫兹波段范围内的电磁器件的研究较少。
近年来，在太赫兹波段，基于超材料的电磁诱导透明器件引起了人们的广泛关注。超材料是指电磁参数(介电常数和磁导率)可人为控制的一类人工复合周期结构。2000年，美国加利福利亚大学的D.R.Smith等人将金属线周期结构和开口谐振环周期结构有效地结合起来，第一次从实验上证明了超材料的存在。2014年，韩昊等人提出并验证了太赫兹频段的超材料电磁诱导透明器件(Optics Letters，4:240-245，2014)，该现象是由开口环谐振环和双金属线谐振干涉引起的。
通常，基于超材料的电磁诱导透明器件的透明窗都在固定频率，若调节透明窗的频率范围或幅度，必须改变结构的几何参数，而这对于加工好的结构是很难实现的。因此如何通过调节外部参数实现可调的电磁诱导透明现象，具有非常重要的应用前景和实用价值。
石墨烯因其介电常数随电压、温度等外界参数可调，从而在太赫兹可调吸波器、滤波器和调制器等方面都得到了广泛关注。利用Matlab编程可以计算出石墨烯的介电常数，由于石墨烯的介电常数受费米能级影响，而费米能级是可以通过石墨烯的外加电压控制。因此通过改变外加电压可以调节石墨烯的介电常数。
对基于石墨烯的太赫兹超材料电磁诱导透明器件，M.Amin等(ScientificReports，3(7):1019-1026，2013)首次在超材料中引入石墨烯，形成石墨烯和金属方环组合的电磁诱导透明器件，模拟发现通过改变石墨烯上的外加电压，可实现EIT的动态可调。G.Ding等(Chinese Physics B.24(11)：118103-1-5，2015)设计了纯石墨烯谐振线状的超材料EIT结构，模拟发现通过调控电压可实现透明窗在太赫兹宽频带的动态可调。L.Wang等(Optics Letters，40(10)：2325-2328，2015)提出了三层石墨烯波导结构，模拟研究了太赫兹频段EIT的可调特性。
通过调研，发现目前研究的太赫兹超材料EIT器件，大部分属于非可调结构。而对于可调结构，一般结构较复杂，需要介质，石墨烯和金属三层结构或三层以上。而基于石墨烯和介质的两层结构，电磁诱导透明现象往往只在一种极化方式下出现。
发明内容
本发明针对现有的太赫兹频段可调极化不敏感电磁诱导透明结构器件结构较少，并且结构复杂，一般只在一种极化方式下存在电磁诱导透明现象，或者不同极化波入射时存在不同的电磁诱导透明现象等问题，提出了一种基于石墨烯的邻边开口方环结构的太赫兹电磁诱导透明器件，具体是一种基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件。
所述电磁诱导透明器件是由周期结构组成，包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括两层：上层为石墨烯层，下层为介质层。石墨烯层厚度为0.34nm～1nm；介质层一般由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度一般在1um～1mm之间。
所述介质层厚度较薄，需固定在衬底器件上。衬底器件选用方环形或圆环形结构，总尺寸与电磁诱导透明器件的尺寸相同，总长度一般在50um～50mm；同时，衬底器件的厚度通常在150um～20mm范围内。
实际加工时，通常先在衬底器件上形成介质层薄膜，然后在介质层上采用化学方法或物理方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层；按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜形成一个个邻边开口的石墨烯方环，构成周期结构的石墨烯层。
每个基本单元对应的邻边开口的石墨烯方环结构相同，具体结构形状为：将石墨烯方环的任意两个邻边去掉相同长度的石墨烯条，且形成的邻边开口结构沿对角线对称。邻边开口结构包括以下四种情况：将石墨烯方环左边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成左下角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环右边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成右下角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环左边和上边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成左上角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环右边和上边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成右上角对应的邻边开口方环结构。
石墨烯层总周期数至少为7×7＝49个才能实现周期谐振特性；相邻两个基本单元的周期距离，即每个基本单元的周期长度为1um～100um。正方形石墨烯环的外边长小于周期长度，两个相邻方环的距离为1um～80um。石墨烯方环的宽度为0.1um～80um；邻边开口的长度小于方环的内环长度，开口宽度与方环的宽度相同。
石墨烯层的形成为一次性形成，当所有石墨烯层刻画完毕后，将衬底器件的中间挖空，四周留下2mm～10mm宽的方形或环形衬底器件来固定电磁诱导透明器件。
最后在石墨烯层上镀一层导电胶，便于整体控制石墨烯的特性，进行电压可调。
所述电磁诱导透明器件工作在太赫兹波段，具体工作过程如下：
首先，设置xyz坐标系，电磁诱导透明器件在xy平面周期排列，z轴垂直于电磁诱导透明器件的表面。
然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射到电磁诱导透明器件的表面后，由于超材料的作用，位于EIT谐振频率处的表面电流由于明模与暗模的相干相消，表面电流强度明显减弱，明模和暗模均得到抑制，从而在一个宽的吸收带中形成一个窄带的透明窗，形成EIT现象。
同样，当y方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时，形成了与x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时完全相同的电磁诱导透明现象，即极化不敏感的电磁诱导透明现象。
当通过电压调节石墨烯的费米能级或化学势EF变化时，EIT透明窗的工作频率和幅度将随电压发生改变；同时，由于设计的石墨烯层的特殊结构特性，x方向和y方向偏振的线偏振光的变化趋势完全相同。
石墨烯介电常数的计算公式如下：
其中，石墨烯电导率σ的表达式为:
h1为石墨烯的厚度，ω是角频率，ε0是真空中的介电常数，e是电子电量，为约化普朗克常数，kB为玻尔兹曼常数，T是温度；EF为费米能级，Г为载流子散射率。
综上所述，该邻边开口方环结构实现了外加电压可调的极化不敏感电磁诱导透明特性，该结构在可调太赫兹频段慢光器件、滤波器、传感器等方面都有重要的应用前景。
本发明的优点在于：
1)、本发明基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，可以利用外加电压有效控制太赫兹频段电磁诱导透明窗口的频率和幅度，对可调太赫兹功能器件的发展具有重要意义。
2)、本发明基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，对x方向和y方向偏振的线偏振光都具有相同的电磁诱导透明现象，在入射波的极化方式改变时，无需更换器件。
3)、本发明基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，起电磁诱导透明作用的结构只有两层，即介质层和其上周期排列的石墨烯层，就可实现太赫兹可调极化波不敏感的电磁诱导透明特性；并且石墨烯层的结构图形简单、易于制备。
4)、本发明基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，加工时采用中心可去掉的衬底结构，保持器件不易变形。此外，提出在石墨烯层上镀导电胶，便于实现器件的整体可调。
附图说明
图1a是本发明电磁诱导透明器件中采用的无衬底器件时的一个基本单元示意图；
图1b是本发明有衬底器件时的可调电磁诱导透明器件示意图；
图2a是本发明结构中电磁波x偏振光沿z轴正向入射时的工作原理图；
图2b是本发明结构中电磁波y偏振光沿z轴正向入射时的工作原理图；
图3是本发明结构中x和y偏振光沿z轴正向入射得到的透射率曲线图；
图4是本发明结构中电压变化时，x或y偏振光沿z轴正向入射得到的透射率曲线图；
图5a是本发明结构中x偏振光沿z轴斜入射时得到的透射率随角度变化曲线图；
图5b是本发明结构中y偏振光沿z轴斜入射时得到的透射率随角度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的两种实施方法进行详细说明。
本发明是一种基于超材料的太赫兹可调极化不敏感电磁诱导透明器件，所述的电磁诱导透明器件为周期结构，包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；如图1a所示，每个基本单元结构均相同，包括上层的石墨烯层1和下层的介质层2。
本实例中的模型周期取P＝6.25um。介质层选取二氧化硅，其介电常数为4.41，损耗角正切为0.0004，厚度取t＝50um。石墨烯的参数选取为：费米能级EF＝0.9eV，T＝300K，Г＝2.4THz，石墨烯厚度取h1＝0.34nm。其它参数选取值分别为s1＝2.2um，s2＝0.4um，w＝1.1um，g＝0.7um。通常s1、s2、w和g的取值范围在0.1um～80um范围。
由周期排列的石墨烯-介质组成的两层结构就可实现太赫兹可调极化波不敏感的电磁诱导透明特性。但是，由于电磁诱导透明器件的厚度较薄，通常需要一个固定装置，支撑并保持介质层的形状不变。为不影响器件的透射和反射特性，衬底器件的中心是挖空的，只在四周留下一部分用于固定。衬底器件对电磁诱导透明器件的电磁诱导透明特性不起作用，只做固定结构用。
介质层固定在衬底器件上，衬底器件选用常见的硅、石英或蓝宝石材料，方环形或圆形结构，尺寸大小与设定的周期总长度相同，一般为50um～50mm；同时厚度通常大于150nm。如基本单元为M*N个周期单元，则衬底器件大小也为M*N个周期单元大小。
在衬底层上形成介质层，由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度一般在1um～1mm之间；介质层的尺寸与衬底层的尺寸相同。
在介质层上采用化学方法或物理方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层；石墨烯厚度为0.34nm～1nm；按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜形成一个个的邻边开口的石墨烯方环，构成周期结构的石墨烯层。
每个基本单元的石墨烯方环结构相同，具体形成过程为：将石墨烯方环的邻边去掉相同长度的石墨烯条，且形成的邻边开口结构沿对角线对称；包括将石墨烯方环左边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成左下角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环右边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成右下角对应的邻边开口方环结构。
石墨烯层总周期数至少为7×7＝49个才能实现周期谐振特性；相邻两个基本单元的周期距离，即每个基本单元的周期长度为1um～100um。正方形石墨烯环的外边长小于周期长度，两个相邻方环的距离为1um～80um。石墨烯方环的宽度为0.1um～80um；邻边开口的长度小于方环的内环长度，开口宽度与方环的宽度相同。
当所有石墨烯层刻画完毕后，将衬底器件的中间挖空，四周留下大约2mm宽的方形或环形衬底器件来固定电磁诱导透明器件。
实际应用时，通常需要在石墨烯层上镀一层导电胶，便于整体调控石墨烯的离散特性，进行电压可调。
所述电磁诱导透明器件工作在太赫兹波段，具体工作过程如下：
首先，设置xyz坐标系，电磁诱导透明器件在xy平面周期排列，z轴垂直于电磁诱导透明器件的表面。
然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射到非对称传输器的表面后，由于超材料的作用，位于EIT谐振频率处的表面电流由于明模与暗模的相干相消，表面电流强度明显减弱，明模和暗模均得到抑制，从而在一个宽的吸收带中形成一个窄带的透明窗，形成EIT现象。
同样，当y方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时，形成了与x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时完全相同的电磁诱导透明现象，即极化不敏感的电磁诱导透明现象。
当通过电压调节石墨烯的费米能级或化学势EF变化时，EIT透明窗的工作频率和幅度将随电压发生改变；同时，x方向和y方向偏振的线偏振光的变化趋势完全相同。
石墨烯介电常数的计算公式如下：
其中，石墨烯电导率σ的表达式为:
h1为石墨烯的厚度，ω是角频率，ε0是真空中的介电常数，e是电子电量，为约化普朗克常数，kB为玻尔兹曼常数，T是温度；EF为费米能级，Г为载流子散射率。
因此，该邻边开口方环结构实现了外加电压可调的极化不敏感电磁诱导透明结构，该结构在可调太赫兹频段慢光器件、滤波器、传感器等方面都有重要的应用前景。
本实施例选取7×7周期单元构成的可调电磁诱导透明结构，如图1b所示。它由49个电磁诱导透明周期单元和衬底器件3构成。其中衬底层器件3的中心挖空，四边所留衬底的长度L大于2mm，L越大，固定性能越好，但是太大使得器件的结构尺寸也变大，L长度范围一般小于10mm。衬底器件3的工作特性是利用中心无衬底的周期结构部分的传输特性。因此，衬底器件3的厚度和介电常数的大小对传输没有任何影响，在仿真时无需考虑衬底的参数。但是如果衬底厚度h太薄，如h小于100um，很容易碎；又因为实际使用时器件尺寸不能太大，因此，衬底厚度也不能太厚，并且过厚衬底在去掉中心衬底时难度也加大。所以衬底厚度大约在150um～20mm范围内。
本实施例实现具体过程如下：首先在衬底器件3上镀t＝20um的二氧化硅薄膜，作为介质层2。然后在介质层2上形成石墨烯薄膜；一次性形成邻边开口的石墨烯方环，形成石墨烯层1。由于是可调结构，实际应用时将导电胶涂在石墨烯层1的表面，并在上面加上电压进行调节。最后，挖空衬底器件，只在结构四周留L＝2mm宽的方环或圆环衬底固定该电磁诱导透明器件。通常电磁诱导透明结构的周期数大于7×7＝49个时，才能实现良好的周期性能。
该可调不敏感电磁诱导透明结构的器件的具体工作中，当x线偏振光沿z轴正向垂直入射到电磁透明结构表面后，工作原理如图2a所示，其透射率为Tx。当y线偏振光沿z轴正向垂直入射到电磁透明结构表面后，工作原理如图2b所示，其透射率为Ty。
当石墨烯化学势EF＝0.9ev时，利用微波高频仿真软件HFSS或CST直接得到的x线偏振光和y线偏振光垂直入射对应的传输特性。如图3所示，该结构的两种线偏振极化波都出现了电磁诱导透明现象，并且对应的透射曲线完全重合，从而具有极化不敏感特性。该传输曲线中电磁诱导透明透射峰的位置在2.94THz，对应幅度约为90％。两个波谷位置分别在2.24THz和3.92THz。
通过改变外加电压来动态调节石墨烯的电导率或介电常数。即当外加电压变化时，石墨烯的介电函数也发生变化。不过在计算时注意，当外加电压，即石墨烯化学势变化时，需要调节仿真模型中的石墨烯材料，再得到对应的透射曲线。
同样，利用微波高频仿真软件HFSS或CST可以直接得到的x线偏振光或y线偏振光垂直入射的传输特性。如图4所示，为极化不敏感的邻边开口结构x线偏振光或y线偏振光的透射谱随石墨烯化学势的变化情况。可见，当EF从0.5eV、0.7eV到0.9eV变化时，即随着外加电压的增大，EIT透明窗的工作频率在一个宽的频率范围内发生明显蓝移，EIT的透射幅度降低，与此同时两侧谐振谷的幅度也减小。因此，对该极化不敏感的邻边开口结构，通过控制外加电压可实现对EIT现象的动态调控。
当斜入射时，x和y线偏振光的电磁诱导透明特性随入射角度的变化，颜色的深浅与透射谱的幅度的大小对应，颜色越深，透过率越低，即对应不透明窗口。可见，如图5a所示，对于x线偏振光，随着入射角度的增大，EIT谐振峰(实线)以及两侧谐振谷(虚线)对应的透过率均减小，并且高频谐振谷处减小的幅度大于低频谐振谷处减小的速度，同时EIT谐振峰的频率也随着入射角度的增大而发生红移。如图5b所示，对于y线偏振光，随着入射角度的增大，EIT谐振峰处以及两侧谐振谷处的透过率均增大，且高频谐振谷处减小的速度小于低频谐振谷处增加的速度，EIT谐振频率发生蓝移。为此，可以通过调节入射角度实现不同工作频率和幅度的EIT现象。

Claims (9)

1.基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，由周期结构组成，其特征在于，包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括两层：上层为石墨烯层，下层为介质层；介质层固定在衬底器件上；
实际加工过程为：首先在衬底器件上形成介质层薄膜，然后在介质层上采用化学方法或物理方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层；按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜形成一个个邻边开口的石墨烯方环，构成周期结构的石墨烯层；
当所有石墨烯层一次性刻画完毕后，将衬底器件的中间挖空，最后在石墨烯层上镀一层导电胶。
2.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的每个基本单元对应的邻边开口的石墨烯方环结构相同，具体结构形状为：
将石墨烯方环的两个邻边去掉相同长度的石墨烯条，且形成的邻边开口结构沿对角线对称；邻边开口结构包括以下四种情况：将石墨烯方环左边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成左下角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环右边和下边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成右下角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环左边和上边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成左上角对应的邻边开口方环结构；或者将石墨烯方环右边和上边沿对角线对称的石墨烯条去掉，形成右上角对应的邻边开口方环结构。
3.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的衬底器件选用方环形或圆环形结构，总尺寸与电磁诱导透明器件的尺寸相同，总长度在50um～50mm范围内，衬底器件的厚度在150um～20mm范围内。
4.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的挖空的衬底器件四周宽度为2mm～10mm。
5.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的石墨烯层厚度为0.34nm～1nm；介质层由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度在1um～1mm之间。
6.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的正方形石墨烯环的外边长小于周期长度，两个相邻方环的距离为1um～80um。
7.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的石墨烯方环的宽度为0.1um～80um；邻边开口的长度小于方环的内环长度，开口宽度与方环的宽度相同。
8.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的石墨烯层总周期数至少为7×7＝49，相邻两个基本单元的周期距离为1um～100um。
9.如权利要求1所述的基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，其特征在于，所述的电磁诱导透明器件，工作在太赫兹波段，具体工作过程如下：
首先，设置xyz坐标系，电磁诱导透明器件在xy平面周期排列，z轴垂直于电磁诱导透明器件的表面；
然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射到电磁诱导透明器件的表面后，由于超材料的作用，位于EIT谐振频率处的表面电流由于明模与暗模的相干相消，表面电流强度明显减弱，明模和暗模均得到抑制，从而在一个宽的吸收带中形成一个窄带的透明窗，形成EIT现象；
同样，当y方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时，形成了与x方向偏振的线偏振光沿z轴垂直入射时完全相同的电磁诱导透明现象，即极化不敏感的电磁诱导透明现象；
当通过电压调节石墨烯的费米能级或化学势EF变化时，EIT透明窗的工作频率和幅度将随电压发生改变；同时，由于设计的石墨烯层的特殊结构特性，x方向和y方向偏振的线偏振光的变化趋势完全相同；
石墨烯介电常数的计算公式如下：
其中，石墨烯电导率σ的表达式为:
h1为石墨烯的厚度，ω是角频率，ε0是真空中的介电常数，e是电子电量，为约化普朗克常数，kB为玻尔兹曼常数，T是温度；EF为费米能级，Г为载流子散射率；
综上，该邻边开口方环结构实现了外加电压可调的极化不敏感电磁诱导透明特性。
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