CN113204131A - 基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于石墨烯‑金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：它由底层和顶层周期性图案化的金属层1、中间的介质层3以及嵌在介质层3中的石墨烯层2构成。其中，底层和顶层的金属层采用金或银等导体，中间的介质层为聚酰亚胺。由于该结构在圆入射波下表现出平行和垂直于对称轴的对称和不对称模式，通过对不同圆偏振入射下的反射率和吸收率进行表征，该结构在1.181THz处获得最大的圆二色性，值为0.85。通过施加偏置电压改变石墨烯费米能级，该发明能实现动态太赫兹近场成像。本发明具有强反射、强吸收、偏振不敏感、结构简单、便于加工等优势，可应用于显示成像，偏振转换和光电子偏振特性研究等方面应用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法，可用于显示成像，偏振转换和光电子偏振特性研究，属于电磁波传输控制技术领域。
(二)背景技术
传统上利用光栅、晶体、液晶等调控电磁波的偏振态,但这些尺寸较大的体块材料不能满足器件集成化和微型化的需求。随着对电磁超表面研究的不断深入，人们开始利用手性超表面调控电磁波的偏振态。手性是指物体通过平移，转动等空间变换均无法与其镜像结构重合的特性。自然界中存在很多如DNA、氨基酸、葡萄糖等具有手性的物质，但这些自然物质存在手性较弱的问题，在检测时难度较大。与自然手性物质相比较来说，手性超表面具有更强的光学活性，左旋圆偏振波和右旋圆偏振波之间的光学响应差异可以用圆二色性来进行表征。
亚波长尺度上电磁波的偏振通过手性超表面进行调控，在成像显示、加密、量子信息，生物传感等领域取得了重要成果。目前，在动态偏振调控、信号调谐、聚焦等方面，发展可动态调谐的手性超表面具有广泛的应用需求。根据已公开的文献报道，文献一(Li F,Tang T,Mao Y,et al.Metal-Graphene Hybrid Chiral Metamaterials for TunableCircular Dichroism[J].Annalen der Physik,2020:2000065)和文献二(Li J,Li J,YangY,et al.Metal-graphene hybrid active chiral metasurfaces for dynamicterahertz wavefront modulation and near field imaging[J].Carbon,2020,163.)都报道了一种金属-石墨烯混合的手性超表面。在文献一中，用了三层结构实现了0.77的圆二色性，但其动态可调的元器件是0.4μm宽的石墨烯条带覆盖在介质层顶层的四周。由于石墨烯为二维材料，其单层厚度仅有0.34nm，这在实际中很难实现。而在文献二中报道的石墨烯用了中空的石墨烯层，但该结构在每一层金属和石墨烯中都添加了介质层，使得该整体结构共有8层材料构成，其制备的过程及方法繁琐复杂，且该结构的圆二色性信号较弱，实现的成本较高。
本发明公开了一种基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。该手性超表面结构有金属-介质-石墨烯构成，石墨烯层嵌在介质层中，实现了在1.181THz下0.85的圆二色性信号，且在正入射或斜入射圆偏振光下该手性超表面结构都具有较大且稳定的圆二色性。本发明公开的方法结构和操作简单，同时，可采用其他金属材料铜替代金或银，减低手性材料的制作成本。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。
本发明的目的是这样实现的：
该手性超表面的可调圆二色性和动态太赫兹近场成像的方法其特征是：它由底层和顶层周期性图案化的金属层1、中间的介质层3以及嵌在介质层3中的石墨烯层2构成，通过阵列原始手性超表面结构和其镜像结构，实现动态太赫兹近场成像。
根据本发明的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法，所述的单元结构周期为65μm×65μm，且该结构与其镜像结构不重合。
根据本发明的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法，所述的底层和顶层的金属层1由厚度为0.2μm的金构成，其中，顶层的金是由两缺环谐振器1-1、1-2构成，两缺环谐振器1-1、1-2的旋转角为0°-105°间距为1μm-4μm，环宽为2μm-8μm，且大缺环谐振器1-1的外半径为24μm，缺口角为35°-75°，小缺环谐振器1-2的缺口角为45°-85°。
根据本发明的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法，所述的中间介质层3的材料为聚酰亚胺，其厚度为24μm-48μm，相对介电常数ε＝3.5+0.00945i。
根据本发明的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法，所述的超表面可通过旋转原始的石墨烯-金属裂环谐振器单元结构至不同的角度并阵列为50*50的结构。太赫兹场的相位分布为：
其中，x，y属于这个超表面中原点为(x0,y0)的任意点的坐标，λ是对应共振频率处的波长，f是焦距，l是指定轨道角动量状态的整数，δ是方位角。
本发明的有益效果：1.本发明的手性超表面结构，通过正入射或斜入射圆偏振光都能获得较大的圆二色性，结构小，易于集成，反射率高；2.本发明的手性超表面通过施加外在的偏置电压改变石墨烯的费米能级，从而对手性超表面的圆二色性进行调控；3.本发明的手性超表面可采用其他金属材料铜替代金或银，减低手性材料的制作成本。4.本发明的手性超表面可用于显示成像，偏振转换和光电子偏振特性研究。
(四)附图说明
图1是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的单元结构示意图。
图2是基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的单元结构俯视示意图及参数。
图3是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法单元结构在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射下的吸收率和圆二色性曲线图。
图4是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器的可调谐圆二色性和近场成像的方法单元结构在改变石墨烯费米能级下的的吸收率和圆二色性曲线图。
图5是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的原始单元结构通过旋转不同角度的阵列示意图。
图6是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的在不同费米能级下对左旋圆偏振光的反射率以及相位曲线图。
(五)具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1是本发明提出一种基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的单元结构示意图。所述的发明包括底层和顶层周期性图案化的金属层1、中间的介质层3以及嵌在介质层3中的石墨烯层2构成。所述的单元结构周期为65μm×65μm；
图2是本发明所述单元结构俯视示意图及参数。底层和顶层的金属层1由厚度为0.2μm的金构成，其中，顶层的金是由两缺环谐振器1-1、1-2构成，两缺环谐振器1-1、1-2的旋转角为45°间距为2μm，环宽为4μm，且大缺环谐振器1-1的外半径为24μm，缺口角为55°，小缺环谐振器1-2的缺口角为65°。
图3是在图2的参数基础上，本发明所述的单元结构在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射下的吸收率和圆二色性曲线图。在石墨烯费米能级在1eV时垂直入射LCP波和RCP，交叉极化反射率|R-+|2和|R+-|2在整个工作频率范围内相等，而同极化反射率|R++|2和|R--|2不等。定义LCP波和RCP波的吸收率差为CD，即CD＝ARCP-ALCP，其中，ARCP＝1-|R--|2-|R+-|2表示为RCP波的吸收率，ALCP＝1-|R-+|2-|R++|2表示为LCP波的吸收率。本发明所述的结构在1.181处的CD为0.85。
图4是在图2的参数基础上，本发明所述的单元结构在石墨烯不同费米能级下的吸收率和圆二色性曲线图。在太赫兹区域中，石墨烯表面电导率由带内响应主导为：
而
其中，e是电子电荷，h是约化普朗克常数，ω是角频率，EF是费米能级，μ＝104cm2V-1s-1是载流子迁移率，VF＝106m/s是费米速度。在低EF时，LCP波的反射随着THz频率的增加从0.8降至0.52，在高EF时，LCP波的反射在始终工作频率内保持在0.7以上，石墨烯EF在0.45eV-1eV的变化中，CD从0.75提高至0.85。
图5是所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的原始单元结构通过旋转不同角度的阵列示意图。将所述的手性超表面通过旋转原始的石墨烯-金属裂环谐振器单元结构至不同的角度并阵列为50*50的超表面结构。太赫兹场的相位分布为：
其中，x，y属于这个超表面中原点为(x0，y0)的任意点的坐标，λ是对应共振频率处的波长，f是焦距，l是指定轨道角动量状态的整数，δ是方位角。
图6是本发明所述基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法的在不同费米能级下对左旋圆偏振光的反射率以及相位曲线图。旋转该手性超表面单元结构可产生相位延迟，在左旋圆偏振光入射时，旋转角度的改变对左旋圆偏振光的反射率几乎没有影响，且在石墨烯的费米能级从1.0eV调至0.4eV时，本发明所述的手性超表面的反射率有所下降，但其相位延迟不受影响。
Claims (5)
1.一种基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：它由底层和顶层周期性图案化的金属层1、中间的介质层3以及嵌在介质层3中的石墨烯层2构成，通过阵列原始手性超表面结构和其镜像结构，实现动态太赫兹近场成像。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：该单元结构周期为65μm×65μm，且该结构与其镜像结构不重合。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：底层和顶层的金属层1由厚度为0.2μm的金构成，其中，顶层的金是由两缺环谐振器1-1、1-2构成，两缺环谐振器1-1、1-2的旋转角为45°间距为2μm，环宽为4μm，且大缺环谐振器1-1的外半径为24μm，缺口角为55°，小缺环谐振器1-2的缺口角为65°。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：中间的介质层3的材料为聚酰亚胺，其厚度为36μm，相对介电常数ε＝3.5+0.00945i。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属裂环谐振器涡旋聚焦的方法。其特征是：通过旋转原始的石墨烯-金属裂环谐振器单元结构至不同的角度并阵列为50*50的超表面结构。太赫兹场的相位分布为：
其中，x，y属于这个超表面中原点为(x0,y0)的任意点的坐标，λ是对应共振频率处的波长，f是焦距，l是指定轨道角动量状态的整数，δ是方位角。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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