CN115275624A - 一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，且公开了一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，包括石墨烯层，所述石墨烯层的左侧固定连接有第一双曲超材料层，所述石墨烯层的右侧固定连接有第二双曲超材料层。本发明通过将石墨烯层与第一双曲超材料层、第二双曲超材料层进行复合，能够进一步拓展双曲超材料的适用波段，极大地提高结构的集成度，并使其更具实时调谐性；通过调控石墨烯层的化学势及层数，可以对高透射率的入射角范围进行调控；也可通过调节第一双曲超材料层和第二双曲超材料层的厚度，从而对高透射率进行调控；实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体为一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构。
背景技术
双曲超材料(HMM)是一种各向异性的光学人工材料，其介电常数具有符号不同的对角分量,这种各向异性行为导致了介质中不寻常的双曲色散关系，可产生如太赫兹频率的负折射、可调谐宽带超透镜、完全吸收、光波导等现象；石墨烯作为一种新型的二维碳基材料，具有透光性好、导电率动态可调等特点，在透明导电膜、场效应管、太赫兹吸波器、调制器、传感器等领域具有广阔的应用前景。
基于两者的优势，我们将石墨烯与双曲超材料结合起来构造复合结构，以实现对透射增强的调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，包括石墨烯层，所述石墨烯层的左侧固定连接有第一双曲超材料层，所述石墨烯层的右侧固定连接有第二双曲超材料层。
优选地，所述石墨烯层夹在第一双曲超材料层和第二双曲超材料层之间构成复合结构。
优选地，线偏振光从空气以入射角θi入射到复合结构上，通过调节石墨烯层的层数及其化学势、第一双曲超材料层和第二双曲超材料层的厚度、入射平面波的频率，对复合结构的透射进行调控。
优选地，所述第一双曲超材料层和第二双曲超材料层采用单轴各向异性材料且介电常数为对角张量。
本发明的有益效果如下：
本发明通过将石墨烯层与第一双曲超材料层、第二双曲超材料层进行复合，能够进一步拓展双曲超材料的适用波段，极大地提高结构的集成度，并使其更具实时调谐性；通过调控石墨烯层的化学势及层数，可以对高透射率的入射角范围进行调控；也可通过调节第一双曲超材料层和第二双曲超材料层的厚度，从而对高透射率进行调控；实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明石墨烯层与第一双曲超材料层、第二双曲超材料层构成的复合结构示意图；
图3(a)为本发明改变石墨烯层的化学势，s波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；图3(b)为本发明p波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；
图4(a)为本发明改变石墨烯层的层数，s波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；图4(b)是p波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；
图5(a)为本发明改变第一双曲超材料层、第二双曲超材料层的厚度，s波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；图5(b)是p波入射时透射率随入射角的变化情况示意图；
图6(a)为本发明改变入射角，s波入射时的透射谱示意图；图6(b)是p波入射时的透射谱示意图。
图中：1、石墨烯层；2、第一双曲超材料层；3、第二双曲超材料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，包括石墨烯层1，石墨烯层1的左侧固定连接有第一双曲超材料层2，石墨烯层1的右侧固定连接有第二双曲超材料层3；
上述技术方案的工作原理和有益效果为：通过将石墨烯层1与第一双曲超材料层2、第二双曲超材料层3进行复合，能够进一步拓展双曲超材料的适用波段，极大地提高结构的集成度，并使其更具实时调谐性；通过调控石墨烯层1的化学势及层数，可以对高透射率的入射角范围进行调控；也可通过调节第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3的厚度，从而对高透射率进行调控；实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
如图1、2所示，在一个实施例中石墨烯层1夹在第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3之间构成复合结构；
上述技术方案的工作原理和有益效果为：通过将两种材料复合形成一体式，能够进一步拓展双曲超材料的适用波段，极大地提高结构的集成度，并使其更具实时调谐性。
如图1～6所示，在一个实施例中线偏振光从空气以入射角θi入射到复合结构上，通过调节石墨烯层1的层数及其化学势、第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3的厚度、入射平面波的频率，对复合结构的透射进行调控；
上述技术方案的工作原理和有益效果为：通过调控石墨烯层1的化学势及层数，可以对高透射率的入射角范围进行调控；也可通过调节第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3的厚度，从而对高透射率进行调控；实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
如图1所示，在一个实施例中第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3采用单轴各向异性材料且介电常数为对角张量；
上述技术方案的工作原理和有益效果为：第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3选择较为简单的单轴各向异性材料，介电常数为对角张量；在线极化光斜入射至复合结构时，通过调整石墨烯的化学势、入射频率和双曲超材料的厚度等各项参数，实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
实施例：
本发明考虑由双曲材料层A和石墨烯层C组成的三明治结构(A-C-A)，石墨烯层两边的双曲材料层厚度相等，如图2所示；其中，双曲材料层为单轴晶体，光轴为z轴，厚度为d1，其相对介电张量的分量为εax＝εay＝2+0.004i，εaz＝-3+0.004i，相对磁导率为1。
本发明计算石墨烯相对介电常数采用Kubo近似公式，具体如下：
石墨烯表面电导率由带内和带间跃迁组成：σ(ω，μc，Γ，T)＝σintra+σinter
石墨烯的相对介电常数为：
其中，e＝1.6×10-19C是电子的电荷，kB＝1.380649×10-23J/K是玻尔兹曼常数，T＝300K是开尔文温度，μc是化学势，
是普朗克常数，Γ＝0.514228meV是散射率，N是石墨烯层数，tg＝0.34nm是单层石墨烯厚度，石墨烯的相对磁导率为1。
本发明考虑频率为ω的平面电磁波从空气以入射角θi入射到复合结构上，入射波数满足
当入射分别为s极化波和p极化波时，双曲超材料中波数ka的分量满足色散关系
和
电磁波从空气射入双曲材料层A的折射角为θ1，从双曲材料层A射入石墨烯层C的折射角为θ2。kg是石墨烯层C中的平面波波数，N层石墨烯的总厚度d2＝Ntg。
利用传输矩阵法得到反射、透射及入射之间的电场振幅关系如下：
j＝s,p分别对应s极化波和p极化波，则透射系数为
其中Mj0,Mj1,Mj2,Mj3分别是空气至超材料A层、A层至石墨烯C层、C层至A层、A层至空气的传输矩阵。各矩阵如下所示：
对于s极化：
对于p极化：
其中k0z＝k0cosθi，kaz＝kacosθ1，kgz＝kgcosθ2。
图3给出了入射频率30THz、双曲材料层厚度为da＝5μm，石墨烯层数为5层，改变石墨烯化学势时，复合结构的透射率随入射角的变化关系。从图3(a)中可以看出，对于s极化，当化学势相对较小(μc＝0.4eV)，在入射角小于36.2°和在56.3°～70.9°之间，透射率均高于0.9，说明复合结构具有高透射率。随着化学势的增加(μc＝0.5eV)，复合结构的在入射角小于68.1°的范围内都具有高透射率，但随着化学势的进一步增加，高透射率对应的入射角范围将减小。对于p极化，透射率随化学势的变化趋势刚好与s极化相反，随着化学势的增加，高透射率对应的入射角范围将增大，但是如果化学势进一步增大，在一定的入射角37.2°～58.5°范围内，透射率将小于0.9，如图3(b)所示。由此，我们可以选择合适的化学势(μc＝0.5eV)，实现复合结构的宽入射角高透射率。
图4给出了入射频率和双曲材料层厚度不变的情况下，石墨烯的化学势为μc＝0.5eV时，改变石墨烯层数时，复合结构的透射率随入射角的变化关系。结果显示无论是s极化还是p极化，石墨烯的厚度对复合结构透射率的影响，与化学势对复合结构透射率的影响基本类似。通过比较，对于s极化，我们可以选择石墨烯层数为N＝5，实现复合结构的宽入射角高透射率。而对于p极化，石墨烯的层数为6层时，复合结构的高透射率对应的入射角最宽。
石墨烯的化学势和层数的适当选择，可实现复合结构宽入射角范围的高透射率。图5给出化学势和层数分别为0.5eV和5层时，保持入射频率30THz不变，改变双曲超材料的厚度时，复合结构的透射率随入射角的变化关系。图5(a)中显示了，对于s极化，在双曲超材料的厚度为4μm、6μm、7μm的情况下，都只在特定的较窄的入射角范围内有具有高透射率；对于图5(b)中的p极化，结果与s极化类似，但高透射率对应的入角度范围比s极化情况下要宽一些。只有当da＝5μm时，无论是s极化还是p极化，复合结构都在较宽入射角范围内保持较高的透射率，即对于s极化，高透射率对应的入射角范围达到68.1°，而对于p极化，高透射率对应的入射角范围更大(0～73.3°)。
根据石墨烯的化学势和层数，及双曲超材料的厚度对复合结构透射率的影响，我们选定石墨烯化学势和层数分别为0.5eV和5层，而双曲超材料的厚度为5μm。图6(a)和6(b)分别给出了s极化和p极化时，入射角度对复合结构透射谱的影响。从图中可知，对于s和p极化，透射峰随频率变化均出现振荡现象。对于图6(a)中的s极化，在入射角较小的情况下，存在两个较宽的频谱(22.7～33.8THz，42.5～55.7THz)，实现高透射率(大于0.9)。随着入射角的增大，高透射率频谱向高频移动，峰值变化不大但频谱变窄。值得注意的是，在低频处(约10THz左右)，随着入射角的增大，透射峰同样向高频移动，且出现透射率高于0.9的透射峰并伴随着频谱变宽。因此，对于s极化，选择合适的入射角，复合结构可用于带通滤波器。图6(b)中p极化的透射频谱与s极化的情况类似，但当入射角度为特殊值(45°)时，只要频率高于28.1THz时，透射率均达到了90％以上，即实现高频带的高透射率，这说明在入射角为45°的情况下，复合结构可用于高通滤波器。
工作原理及使用流程：
通过将石墨烯层1与第一双曲超材料层2、第二双曲超材料层3进行复合，能够进一步拓展双曲超材料的适用波段，极大地提高结构的集成度，并使其更具实时调谐性；通过调控石墨烯层1的化学势及层数，可以对高透射率的入射角范围进行调控；也可通过调节第一双曲超材料层2和第二双曲超材料层3的厚度，从而对高透射率进行调控；实现宽角度，宽频带的透射增强，以及对透射增强进行调控。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，包括石墨烯层(1)，其特征在于：所述石墨烯层(1)的左侧固定连接有第一双曲超材料层(2)，所述石墨烯层(1)的右侧固定连接有第二双曲超材料层(3)。
2.根据权利要求1所述的一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，其特征在于：所述石墨烯层(1)夹在第一双曲超材料层(2)和第二双曲超材料层(3)之间构成复合结构。
3.根据权利要求1所述的一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，其特征在于：线偏振光从空气以入射角θi入射到复合结构上，通过调节石墨烯层(1)的层数及其化学势、第一双曲超材料层(2)和第二双曲超材料层(3)的厚度、入射平面波的频率，对复合结构的透射进行调控。
4.根据权利要求1所述的一种实现高透射的基于石墨烯的双曲超材料复合结构，其特征在于：所述第一双曲超材料层(2)和第二双曲超材料层(3)采用单轴各向异性材料且介电常数为对角张量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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