CN109541820A - 基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，所述圆偏振滤波器包括介质基底层、单层石墨烯和棒状硅周期性阵列结构，其中：所述介质基底层上面设置有单层石墨烯，所述单层石墨烯上面设置有棒状硅周期性阵列结构。本发明的圆偏振滤波器的工作波段可以通过电控石墨烯费米能级的方式实现快速调谐，达到在较宽波段范围内获得左旋或右旋圆偏振光的目的。本发明的圆偏振滤波器具有结构简单、体积小、易于加工集成、效率高、工作波段快速可调谐的优点，解决了多个波段的左旋或右旋圆偏振光难以直接从两种圆偏振光中高效过滤获得的问题，对具有手征特性的生物、化学分子的识别具有重要意义。

Description

基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器
技术领域
本发明涉及一种偏振滤波器，具体涉及一种基于电控石墨烯的圆偏振滤波器。
背景技术
圆偏振光可用于识别DNA、蛋白质、氨基酸以及部分人工制备的药物等具有手征特性的生物、化学分子，因此在分子探测、生物制药等领域有重要的应用。例如，圆偏振光可以用来识别具有相同分子式、不同结构的R型和S型萨力多胺(thalidomide)，由于R型萨力多胺多用于孕妇的安眠治疗，而S型萨力多胺(thalidomide)却容易导致胎儿畸形，所以利用圆偏振光从R型萨力多胺药物中识别与其结构手征对称的S型萨力多胺至关重要。为了得到圆偏振光，传统方法是结合起偏器和四分之一波片并调节起偏器偏振方向来获得左旋或右旋圆偏振光，这种方法所用的起偏器和波片体积较大，不能满足现代器件微型化和集成化的需求。此外，从两种圆偏振光中过滤出左旋或右旋圆偏振光也是获得圆偏振光的方法之一，这种方法需要将两种圆偏振光转化成线偏振光后再经波片获得左旋或右旋圆偏振光，而不能直接过滤出想要的圆偏振光。为了同时满足器件微型化和对圆偏振光直接滤波的需求，基于超材料的圆偏振滤波器已经被设计出来。目前，大多数基于超材料的圆偏振滤波器效率较低且结构复杂，很难加工制备，制约了光学微型器件的进一步发展和应用。更重要的是，这些基于超材料的圆偏振滤波器工作波段单一、不可调谐，在一定程度上造成了资源浪费。因此，我们急需一种结构简单、易于加工与集成、高效且工作波段快速可调谐的圆偏振滤波器。
发明内容
本发明为了解决现有的圆偏振滤波器结构复杂、工作波段固定和不可调谐的问题，提供了一种结构简单、高效、工作波段快速可调谐的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，通过调节光的入射方向可以从两种圆偏振光中过滤得到纯净的左旋或右旋圆偏振光，其工作波段可以通过电控石墨烯费米能级的方式快速调谐，本发明简化了结构，提高了滤波效率，实现了圆偏振滤波器工作波段的快速可调谐。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，包括介质基底层、单层石墨烯和棒状硅周期性阵列结构，其中：所述介质基底层上面设置有单层石墨烯，所述单层石墨烯上面设置有棒状硅周期性阵列结构。
本发明中，所述棒状硅周期性阵列结构是由硅棒周期性排列组成的二维阵列结构，阵列周期为14μm。
本发明中，所述单层石墨烯为单原子层的二维材料，厚度约为0.35nm。
本发明中，所述介质基底层为透光材料，起支撑作用，可选择FR-4、氟化镁、氟化钙或三氧化二铝中的一种。
本发明的圆偏振滤波器工作时需要根据所要获得的圆偏振光的偏振态选择入射角度，若想从两种圆偏振光中过滤得到左旋圆偏振光，入射角应为θ＝45°，若想从两种圆偏振光中过滤得到右旋圆偏振光，入射角应为θ＝-45°，这是因为当入射光以不同倾斜角度照射到滤波器微结构时，打破了入射光与微结构体系的对称性，在入射的左旋和右旋圆偏振光的激发下，微结构支持不同的共振模式，从而实现滤波功能。此外，根据实际需要，圆偏振滤波器的工作波段可以通过电控石墨烯费米能级改变的方式实现快速调谐，从而避开因某些特殊物质引起的干扰峰，达到在较宽波段范围内获得左旋或右旋圆偏振光的目的。在电控石墨烯调节圆偏振光的工作波段时，需要在棒状硅周期性阵列结构上面旋涂离子凝胶作为电控石墨烯的电极。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明通过将单层石墨烯与棒状硅周期性阵列结构结合、优化棒状硅周期性阵列结构的几何参数并选择合适的介质基底材料，实现了基于电控石墨烯的结构简单、高效、工作波段快速可调谐的圆偏振滤波器。
2、本发明的圆偏振滤波器采用了棒状硅周期性阵列结构，该结构同时支持米氏电偶极子和磁偶极子共振模式，能在共振位置处实现接近100％的透射率，这是实现高效率圆偏振滤波的重要条件。
3、本发明的圆偏振滤波器采用了石墨烯，石墨烯的费米能级可以通过调控电压的方式实现快速调谐，从而改变圆偏振滤波器的工作波段。
4、本发明的圆偏振滤波器的工作波段可以通过电控石墨烯费米能级的方式实现快速调谐，达到在较宽波段范围内获得左旋或右旋圆偏振光的目的。
5、本发明的圆偏振滤波器具有结构简单、体积小、易于加工集成、效率高、工作波段快速可调谐的优点，解决了多个波段的左旋或右旋圆偏振光难以直接从两种圆偏振光中高效过滤获得的问题，对具有手征特性的生物、化学分子的识别具有重要意义，在生物制药、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述圆偏振滤波器的单元结构示意图，(a)入射角为θ＝45°，时，从两种圆偏振光中过滤得到左旋圆偏振光；(b)入射角为θ＝-45°，时，从两种圆偏振光中过滤得到右旋圆偏振光，图中k为入射光波矢量，p为其在入射平面的投影分量。
图2为实施例1中两种圆偏振光的透射系数以及经圆偏振滤波器过滤得到左旋圆偏振光的透射光谱仿真结果图。
图3为实施例1中两种圆偏振光的透射系数以及经圆偏振滤波器过滤得到右旋圆偏振光的透射光谱仿真结果图。
图4为实施例1中通过电控石墨烯的方法实现左旋圆偏振滤波器工作波段的动态可调图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，本实施例的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器由介质基底层1、单层石墨烯2和棒状硅周期性阵列结构3组成，其中：所述介质基底层1上面设置有单层石墨烯2，所述单层石墨烯2上面设置有棒状硅周期性阵列结构3。
本实施例中，所述介质基底层1选用FR-4材料，其折射率为2.04。
本实施例中，所述棒状硅周期性阵列结构3的周期为14μm，单元棒状结构的长、宽、高分别为9μm、4.05μm和7.1μm。
本实施例中，所述棒状硅周期性阵列结构3上面旋涂离子凝胶作为电控石墨烯的电极。
本实施例的圆偏振滤波器工作时需要根据要获得的圆偏振光的偏振态来选择激发光的入射角度，这是因为不同角度的斜入射光打破了入射光与微结构体系的对称性，使得入射的左旋和右旋圆偏振光激发不同的共振模式，从而过滤获得一定偏振态的光。本实施例为了实现圆偏振滤波器工作波段的快速调谐，在单层石墨烯2和旋涂于棒状硅周期性阵列结构3顶端的离子凝胶之间施加电压调控石墨烯的费米能级。
图2是本实施例中两种圆偏振光的透射系数以及经圆偏振滤波器过滤得到左旋圆偏振光的透射光谱仿真结果图。由图2(a)可知，当左旋和右旋圆偏振光同时以θ＝45°，的角度入射到圆偏振滤波器时，在12.8THz附近以右旋入射-左旋透射的偏振透射系数约为0.95，而以左旋入射-右旋透射、左旋入射-左旋透射、右旋入射-右旋透射的偏振透射系数都相对较小，低于0.2。由图2(b)可知，透射的左旋和右旋圆偏振光的强度分别为T-＝|t-+|2+|t--|2和T+＝|t+-|2+|t++|2。当左旋和右旋圆偏振光同时以θ＝45°，的角度入射到圆偏振滤波器时，在12.8THz附近左旋圆偏振光的透射强度较大接近1，而左旋圆偏振光的透射强度较小接近零，这说明当入射角为θ＝45°，时，在12.8THz附近该圆偏振滤波器可以从两种圆偏振光中过滤获得左旋圆偏振光。
图3给出了本实施例中两种圆偏振光的透射系数以及经圆偏振滤波器过滤获得右旋圆偏振光的透射光谱仿真结果图。由图3(a)可知，当左旋和右旋圆偏振光同时以θ＝-45°，的角度入射到圆偏振滤波器时，在12.8THz附近以左旋入射-右旋透射的偏振透射系数约为0.95，而以右旋入射-左旋透射、左旋入射-左旋透射、右旋入射-右旋透射的偏振透射系数都相对较小，低于0.2。由图3(b)可知，当左旋和右旋圆偏振光同时以θ＝-45°，的角度入射圆偏振滤波器时，在12.8THz附近右旋圆偏振光的透射强度较大接近1，而左旋圆偏振光的透射强度较小接近零，这说明当入射角为θ＝45°，时，在12.8THz附近该圆偏振滤波器可以从两种圆偏振光中过滤获得右旋圆偏振光。
图4给出了本实施例中通过加外电压方式实现圆偏振滤波器工作波段的快速可调谐特性。本实施例通过在类晶体管结构中在石墨烯与棒状硅周期性阵列结构表面的离子凝胶电极之间加电压的方式调控石墨烯的费米能级，从而调节传感器的工作波段。当调控石墨烯的费米能级从0eV到0.3eV时，圆偏振光的透射谱向高频方向移动，这样该圆偏振滤波器的工作波段就发生了移动，实现了基于电控石墨烯的圆偏振滤波器的快速调谐。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是，所述介质基底层1选用氟化镁材料，其折射率为1.29；所述棒状硅周期性阵列结构3的周期为14μm，单元棒状结构的长、宽、高分别为9μm、4μm和7.5μm。
实施例3：
本实施例与实施例1不同的是，所述介质基底层1选用氟化钙材料，其折射率为1.30；所述棒状硅周期性阵列结构3的周期为14μm，单元棒状结构的长、宽、高分别为9μm、4μm和7.4μm。

Claims (6)

1.一种基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述圆偏振滤波器包括介质基底层、单层石墨烯和棒状硅周期性阵列结构，其中：所述介质基底层上面设置有单层石墨烯，所述单层石墨烯上面设置有棒状硅周期性阵列结构。
2.根据权利要求1所述的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述棒状硅周期性阵列结构是由硅棒周期性排列组成的二维阵列结构，阵列周期为14μm。
3.根据权利要求1所述的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述单层石墨烯为单原子层的二维材料，厚度为0.35nm。
4.根据权利要求1所述的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述介质基底层为FR-4、氟化镁、氟化钙或三氧化二铝中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述棒状硅周期性阵列结构上面旋涂离子凝胶作为电控石墨烯的电极。
6.根据权利要求1所述的基于电控石墨烯的可调谐圆偏振滤波器，其特征在于所述圆偏振滤波器工作时需要根据所要获得的圆偏振光的偏振态选择入射角度，若想从两种圆偏振光中过滤得到左旋圆偏振光，入射角应为θ＝45°，若想从两种圆偏振光中过滤得到右旋圆偏振光，入射角应为θ＝-45°，
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