CN109491109A - 一种基于双层g形石墨烯微结构的可调偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器。主要包括如下步骤：步骤(1).在25～35Thz的工作频段，研究石墨烯可调谐双G形偏振转换器中电磁波的传输，通过对偏振转换器结构的设计，找出可以实现偏振转换的结构；步骤(2).偏振转换器的G形位置是石墨烯带，两个G形石墨烯带的中间有40nm厚的二氧化硅介质层；步骤(3).通过调节石墨烯的化学势可以有效地调控谐振点的位置，从而实现可调谐的功能；本发明具有结构简单，转换效率高等特点。

Description

一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器，属于微纳光学及光学芯片集成领域。

(二)背景技术

近年来，基于超表面的偏振转换技术引起了人们的广泛关注。超表面具备亚波长尺度内调控光场相位及振幅的能力，是理想的偏振转换材料。石墨烯超表面具有更加良好的性能，对进一步优化偏振转换性能具有现实意义。

超构表面(Metasurface)是一种由单元结构组成的超薄二维平面阵列,超构表面属于二维的超构材料，是超构材料重要的研究方向。与超构材料相比，超构表面具有很多的优点，比如结构简单、体积小、易于集成制造等。电磁波的幅度、相位、偏振状态能够通过超表面结构灵活的控制，基于超构表面的这些优势，促使超构表面成为近些年来的热门研究。石墨烯是由单层碳原子构成的材料，具有其独特的电磁特性。在红外频段和太赫兹频段，电磁波在石墨烯中传输比在金属中传输的损耗更小。通过外加偏置电压、电磁场以及化学掺杂等方式可以改变石墨烯材料的化学势，相当于改变了石墨烯的电导率，最终实现对器件的工作频率动态调节，如集成光电子器件通过对超表面单元结构的精心设计。2012年，Yu等人利用V形天线结构设计了工作在中红外频段的宽带二分之一波片，并用实验进行了该结构产生的异常反射和异常折射散射波的偏振态，正好与入射光的偏振态相互垂直，并且它们之间的相位差约为180°，满足二分之一波片产生条件。但是在研究中，以金属做超表面的损耗不容忽视，所以为了解决这个问题，具有划时代的意义的材料石墨烯超表面应运而生。这种做成周期性超表面单元结构具有自然常规材料所不具备的物理特性，每个超表面单元结构都可以改变入射光线的相位、振幅和偏振。正是由于超表面具备这种控制和重塑入射光线的能力，它的应用范围除了偏振转换技术外，还广泛涉及到太阳能电池、计算机、通信、传感器以及显微镜等方面的研究。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作可控、易于调节的一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器。

本发明的目的是这样实现的：

步骤(1).在25～35Thz工作频带内，研究不同形状尺寸的G形石墨烯超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同波段的结构，从而实现对入射电磁波进行调制。

步骤(2).根据费马原理推导出广义Snell定律，通过控制两交界面来实现波长尺寸的相位突变，当界面上产生相位突变时，将会使得交界面上的相位不连续，因此光通过该交界面时会产生异常的折射和反射。

步骤(3).假如在交界面处的相位梯度dΦ/dx为定值，可推出广义Snell反射定律：

通过设计合适的超表面相位梯度dΦ/dx，可对电磁波的相位任意调控，从而得到各个方向的反射波。通过亚波长尺寸谐振单元组成的周期性阵列可实现相位的突变，并且可通过改变谐振单元之间的距离调控异常反射光和折射光的总能量。

电磁波垂直入射手性超材料时，其本征方程可表示为：

其中，ε₀为真空中介电常数，μ₀为真空磁导率，ε_r为相对介电常数，μ_r为相对磁导率，κ为手性参数，c为真空中的光速。

所设计偏振转换器为反射型偏振转换器，对于反射型偏振转换器，圆偏振反射系数R₊₊,R_+-,R_--及R_-+可通过对应的线偏振反射系数R_xx,R_xy,R_yy及R_yx计算得到，转换关系如下：

R₊₊,R_--分别为右旋和左旋圆偏振波的反射系数，Rxx,Ryy和Rxy,Ryx分别为线偏振的平行偏振反射系数和正交偏振反射系数。

对于反射波，由于R_xy＝R_yx＝0且R_xx＝R_yy，可得：

R_+-＝R_-+＝0,R₊₊＝R_--＝R (4)

偏振转换是指电磁波从一种偏振形式变化到另一种偏振形式的过程，而偏振转换率则表示这个过程效率，因此，超材料反射偏振转换率表示如下：

(四)附图说明

图1是双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器，1是上层G形石墨烯层，2是下层G形石墨烯层，3是1000nm二氧化硅介质层，4是厚度100nm的金属金基底，p＝77nm是该偏振器的单元周期，h1＝40nm、h2＝1000nm是介质层的高度。

图2是该偏振转换器的俯视图，其中R1＝36nm、R2＝28nm是外径和内径,L＝28nm和W＝10nm是长方形的长和宽，θ＝30°为G形开口和水平线的夹角。

图3是通过仿真软件得出的反射数据图。

图4是通过仿真软件得出的偏振转换数据图。

图5是在石墨烯化学势为0.7ev通过转换公式算出的转换效率图。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器，具体包括以下步骤：

步骤(1).在25～35Thz工作频带内，研究不同形状尺寸的G形石墨烯超表面结构的光学特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同波段的结构，从而实现对入射电磁波的调制。

步骤(2).根据费马原理推导出广义Snell定律，通过控制两交界面来实现波长尺寸的相位突变，如果在界面上产生了相位突变，将会使得交界面上的相位不连续，因此光通过该界面会产生异常的折射和反射。

步骤(3).在偏振转换器的石墨烯层用氧离子轰击成上述G形，两个石墨烯的G形中间有40nm的二氧化硅介质层；通过调节石墨烯的化学势可以有效地调控谐振点，从而实现可动态可调谐的功能。

该偏振转换器由四部分组成，其中基底金属板厚度为100nm，结构单元周期为77nm,SiO₂介质层厚度为1000nm,两个G形石墨烯带的间隔为40nm的SiO₂介质层。

通过控制石墨烯的化学势来调控共振点的位置，来实现动态可调谐。

Claims (5)

1.一种基于双层G形石墨烯微结构的可调偏振转换器，其特征是：它由金属金基底4，二氧化硅介质层3，和两个尺寸完全相同的G形石墨烯带1、2组成。所述偏振转换器，基底4是周期P＝77nm，厚度h3＝100nm的金属用来衬底，中间介质层3为厚度h2＝1000nm的二氧化硅，双G形之间以厚度h1＝40nm的二氧化硅充当中间层，两个尺寸完全相同的双G形石墨烯带产生主要的电磁响应。这几种材料依次堆放，组成完整的偏振转换器。

2.根据权利要求1所述的偏振转换器，该偏振转换器的功能是进行X线偏振光和Y线偏振光之间的相互转换。通过调节石墨烯的化学势，可以在25～35THz频段内实现X偏振光和Y偏振光之间以高达98％的相互转换效率。

3.根据权利要求1所述的介质层，介质层以厚度为1000nm介电常数为3.9的二氧化硅填充，双G形之间以介电常数相同，厚度为40nm的二氧化硅填充，双G形之间的二氧化硅厚度会影响偏振谐振点的位置，可以根据实际需要调整介质层厚度来增加偏振转换器的适应性。

4.根据权利要求1所述的双G形石墨烯带，其中R1＝36nm、R2＝28nm分别是外径和内径,L＝28nm和W＝10nm分别是长方形的长和宽，θ＝30°为G形开口X轴之间的夹角。通过调节石墨烯的化学势，可以实现对所设计偏振转换器的工作频段的动态调谐。

5.根据权利要求1所述的双G形石墨烯带，两个G形石墨烯带的尺寸是完全相同的，工作频段为25～35Thz，并且对入射电磁波的角度不敏感，从而为实现偏振转换器的动态可调增加可靠性和实用性。