CN110164480A - 一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，属于超构材料领域。本发明结构包括超表面、石墨烯、离子凝胶、电压装置，超表面上放置一层单层石墨烯，单层石墨烯上覆盖所述离子凝胶，电压装置的一端与单层石墨烯连接，电压装置的另一端与离子凝胶连接，超表面的像素单元由不同尺寸的梯度相位结构复合而成，梯度相位结构对不同的目标图像使用不同频率进行编码。本发明填补了赫兹波段可调谐光学全息领域的空白；本发明设计的像素结构在亚波长量级，结构紧凑，有利于实现光学器件的小型化和集成化；与温度、光照等调控方法相比较通过调节外加电压激励的方法进行调控，调控方法更加简便、实用。

Description

一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计
技术领域
本发明属于超构材料领域，具体涉及一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计。
背景技术
石墨烯只有一层碳原子的单层石墨，石墨烯的厚度一般为0.34nm。碳原子成六角晶格排布，碳原子之间由s键来连接，具有零带隙的能带结构特点。一开始人们认为石墨烯只是一种假象结构，不可能稳定存在，直到2004年英国的Andre Geim和KonstantinNovoselov使用机械剥离的方法得到石墨烯，自此石墨烯在全世界引起了全世界的研究热潮。石墨烯有着很多优良特性。应用石墨烯来控制太赫兹的传播是近年来太赫兹技术发展的热门方向。通过调节石墨烯的外加电压就能在很宽的一段频率范围内调节石墨烯的费米能级，从而调节超材料的电磁特性。现有的利用石墨烯实现全息技术主要是将石墨烯作为全息图样存储设备(CN201811271830.2应用于彩色全息存储的碳基纳米复合薄膜及其制造方法和CN201711146415.X掺杂氧化石墨烯的光致聚合物全息记录材料及其制备方法等，这些方法无法应用于太赫兹波段)，而本专利的全息图样存储主要是利用超表面结构，将石墨烯作为一种调节手段，与上述专利有本质的差别。
太赫兹(THz，频率在1012Hz的量级)波位于微波和红外波之间，在安全检查、医学影像、无线通信、无损检测等诸多方面有着重要的学术和应用研究价值。但是在太赫兹技术发展的初期，由于太赫兹源及检测方法的匮乏，人们几乎不了解该波段光与物质的相互作用，过去一直被称为“太赫兹空隙”(Terehertz gap)。近年来，在太赫兹源和探测器的研究方面取得了一定突破，特别是太赫兹时域光谱技术的发明推动了太赫兹技术的发展。除了太赫兹源和探测器之外，太赫兹波段关键器件缺失是另一个瓶颈问题，极大限制了太赫兹科学及太赫兹技术的快速发展。效率高、响应快、特性可调的太赫兹功能器件是构建太赫兹传感、太赫兹通讯、太赫兹成像等应用的核心。与现有的其它全息可调谐技术(CN201310121010.6实时动态彩色全息三维显示液晶薄膜及制备方法、CN201611123179.5硒化镉量子点掺杂液晶材料的全息3D显示屏的制备方法等)相比，本专利的目的在于实现太赫兹可调谐全息功能器件，其具有尺寸小，更易于集成化的特点，为太赫兹成像技术提供可行的途径。
与传统全息技术相比，基于超表面的光学全息技术是一种更加灵活的控制全息图像的方式，通过超表面单元结构设计及空间分布可以灵活地控制光的振幅、相位及偏振等信息，为光学全息技术提供了平台。2013年V.M.Shalaev和张霜教授研究组分别利用V型和矩形谐振单元在光波段实验证实了超表面的光学全息。基于超构表面的光学全息涉及谐振相位、几何相位和传播相位等不同相位调制方法，还可以通过波长、偏振、空间和非线性等方法进行全息复用。本专利所设计的全息调谐技术与传统的基于波长、偏振(CN201710416181.X一种相干可调谐的光学全息)、空间和非线性(CN201611220799.0基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与系统)等方法进行全息复用技术有很大的区别，已报到的专利与文献并未与有源材料相结合，因此无法实现全息图像的动态连续调控。本专利将利用复合超构材料实现多个图像的同时存储，利用石墨烯的可调谐光导率特性实现太赫兹图像的动态选择，与上述文献有本质区别。
超表面光学全息近来在太赫兹波段也受到了重视，2017年张伟力教授课题组报道了偏振与频率复用的透射式太赫兹光学全息，通过硅基底上C型金属谐振单元同时实现对振幅和相位的调制，实验观测了不同频率和极化情况下再现“C”、“F”、“T”、“W”的全息图，但效率低，约为20％。2018年，该课题组又提出了太赫兹波段反射型手性光学全息的设计方案，能够对单一圆偏振态进行独立的相位设计，使用平面手性结构表面实现了圆偏振复用的反射型相位全息，这种反射全息图在反射时并不会改变圆偏振波的旋向，偏振串扰低，效率约40％。综上，使用超构表面实现超表面光学全息的研究工作目前主要集中在光波段，太赫兹波段的光学全息相对较少，可调谐的太赫兹光学全息更是未见报道。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，在太赫兹波段通过对石墨烯外加激励电压的调节实现全息图样的动态调节。
为实现上述目的，一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其结构包括超表面、石墨烯、离子凝胶、电压装置，所述超表面上放置一层所述单层石墨烯，单层石墨烯上覆盖所述离子凝胶，所述电压装置的一端与单层石墨烯连接，电压装置的另一端与离子凝胶连接，超表面的像素单元由不同尺寸的梯度相位结构复合而成，梯度相位结构对不同的目标图像使用不同频率进行编码。
所述超表面的像素单元为亚波长量级，像素单元由条型结构、口型结构、U字形结构复合构成。
所述离子凝胶的厚度为20μm，所述电压装置的电压可调节。
所述梯度相位结构的相位梯度范围为0-2п，且谐振峰值相同。
所述超表面的像素单元由不同图像的编码结构单元复合而成。
所述超表面结构下方铺设一层10μm厚的聚酰亚胺。
所述超表面下方为金属背板。
所述目标图像的编码频率范围为太赫兹波段。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，填补了赫兹波段可调谐光学全息领域的空白；本发明设计的像素结构在亚波长量级，结构紧凑，有利于实现光学器件的小型化和集成化；与温度、光照等调控方法相比较通过调节外加电压激励的方法进行调控，调控方法更加简便、实用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明全息图像超表面相位局部示意图。
图3为本发明口字形相位结构示意图。
图4为本发明相位分布计算流程图。
图5为本发明在太赫兹波段工作时示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
针对上述技术问题，本发明公开了一种太赫兹波段的基于石墨烯动态可调谐光学全息设计，能够在太赫兹波段通过对石墨烯外加激励电压的调节实现全息图样的动态调节。本发明设计结构紧凑，有利于实现光学器件的小型化和集成化，并且提供了一种新的太赫兹波段可调谐光学全息设计思路。
1.石墨烯理论模型
石墨烯的光学性质中，布里渊区的k(k’)点处，混合轨道产生的价带和导带减弱。在这些点附近，紧密束缚的哈密顿量可以线性化并写成
其中v≈106m/s是费米速度。该哈密顿量结果是由下式给出的导带和价带的能量色散关系
带隙等于2Δ，并且由于任何相互作用破坏石墨烯晶胞中A和B原子之间的对称性，可以获得非零值。石墨烯中的光学性质由电导率σ(ω)描述。它可以写成带间电导率σinter(ω)和带内电导率σintra(ω)的总和，两者都可以使用上面的哈密顿函数找到，如下：
其中，f(ε-Ef)是与费米能级相关的费米分布函数，Γ是指带间跃迁的展宽，τ是载流子带散射引起的动量弛豫时间。
2.相位分布计算
根据Rayleigh-Sommerfeld衍射公式
对应于图4流程图中的RS，这里U(x0，y0)和U(x，y)分别对应着成像平面和超表面上点的坐标，λ是真空中波长，并且倾斜因子cos<n，r>＝z/r。首先根据Rayleigh-Sommerfeld衍射公式计算出梯度相位超表面生成的初始图像，并将初始图像的振幅分布L′(x0，y0)与目标图像振幅分布L(x0，y0)相比较，若满足判定条件式(5)则说明超表面相位分布满足成像要求，循环终止。
∫∫|L′(x0，y0)2-L(x0，y0)2|dx0dy0＜ε
如不满足上式，则将目标振幅分布L(x0，y0)与初始图像的相位分布结合起来形成新的相空间电场分布并进行逆Rayleigh-Sommerfeld衍射如下式，得到新的超表面结构单元相位分布，开始下一轮计算
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2为全息图像超表面相位局部示意图，图中左上角四个结构单元为一个像素单元，为保证两张图象的分辨率相同，对角线结构应该相同。由于两张图象分别编码在不同频率处，两张图象结构尺寸不同。
图3为口字形相位结构示意图，每个单元结构相位可以为任意值，根据目标相位选取合适的单元结构参数。
现有的光学全息研究工作主要集中在光波波段，在太赫兹波段的研究较少，动态可调谐的太赫兹波段光学全息工作更是还未见报道。本实施例由约20μm厚的离子凝胶，单层石墨烯，超表面结构和约10μm厚的聚酰亚胺四部分部分组成。利用两种不同尺寸的梯度相位结构单元分别将两张图象编码在频率f1和f2处。超表面像素结构单元如图1所示。在太赫兹波段，当单层石墨烯和离子凝胶之间的电压为V1时，结构的透射窗在频率f1处，此时全息图像为HEU。当单层石墨烯和离子凝胶之间的电压为V2时，石墨烯的电导率发生变化，结构的透射谱发生蓝移，此时透射窗在频率f2处，全息图像显示为LPT，如图5所示。对目标图像的相位计算过程如下：以两张目标图像全息设计为例，图4的相位流程图中M1为
首先根据图4的相位流程图中分别计算出两张目标图像在超表面相位分布和根据和调整每一像素内超构单元结构。
实施例2
本发明提供了一种基于石墨烯实现的动态可调谐光学全息设计，超表面上的像素单元结构为亚波长量级，可以通过调节外部激励实现复用图像的动态选择。首先利用计算全息术生成两张目标图像的相位图，用两种不同尺寸的梯度相位结构单元对其在不同频率处进行编码，并复合在一起。通过调节外加偏压激励的方法来调制石墨烯的费米能级分布，影响石墨烯的电导率从而进一步蓝移或者红移太赫兹波的传输谱，实现两个图像复合状态下的全息图样的动态调控与切换。本发明设计的基于石墨烯实现的动态可调谐光学全息设计结构紧凑，有利于实现光学器件的小型化和集成化，并且为太赫兹波段可调谐光学全息设计提供了一种新的思路。
一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，在太赫兹波段，可以动态的选择光学全息图样。其中结构使用超表面实现光学全息技术，超表面像素单元为亚波长量级，通过调节石墨烯的外加电压激励影响石墨烯的电导率从而进一步蓝移或者红移太赫兹波的传输谱，继而实现对全息图样的动态调控和切换。使用不同尺寸的梯度相位结构分别将目标图像编码在不同频率处，像素结构单元由不同尺寸的梯度相位结构复合而成，梯度相位结构变化可以实现0-2п的相位梯度覆盖。
全息图样的动态调控范围在太赫兹波段。
超表面的像素单元可以由条型结构，口型结构，U字形结构等结构复合构成。
在超表面上放置一层单层石墨烯，并在石墨烯上覆盖约20μm的离子凝胶。电压加在石墨烯和离子凝胶之间。
为避免不同图像出现混叠现象，故选择工作在不同频段的梯度相位结构单元，每种梯度相位结构单元都要求：1.可以实现0-2п的相位梯度2.谐振峰值相同。
对每一目标图像分别进行编码，为保持每张图像具有相同的分辨率，超表面上像素单元由不同图像的编码结构单元复合而成。
本设计设计的石墨烯的动态可调谐光学全息设计包括透射和反射两种形式，本例以透射式为例，反射式可在透射式基础上加一金属背板而成。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其结构包括超表面、石墨烯、离子凝胶、电压装置，其特征在于：所述超表面上放置一层所述单层石墨烯，单层石墨烯上覆盖所述离子凝胶，所述电压装置的一端与单层石墨烯连接，电压装置的另一端与离子凝胶连接，超表面的像素单元由不同尺寸的梯度相位结构复合而成，梯度相位结构对不同的目标图像使用不同频率进行编码。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述超表面的像素单元为亚波长量级，像素单元由条型结构、口型结构、U字形结构复合构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述离子凝胶的厚度为20μm，所述电压装置的电压可调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述梯度相位结构的相位梯度范围为0-2п，且谐振峰值相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述超表面的像素单元由不同图像的编码结构单元复合而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述超表面结构下方铺设一层10μm厚的聚酰亚胺。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述超表面下方为金属背板。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的动态可调谐光学全息设计，其特征在于：所述目标图像的编码频率范围为太赫兹波段。
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