CN117310857A - 一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，所述可调吸收器包括玻璃衬底、石墨烯、金属超表面及法布里‑珀罗谐振腔（Fabry–Pérot cavity，F‑P谐振腔）。金属超表面用于被入射光直接激发，产生局域表面等离激元共振作为构成法诺共振的亮态；法布里‑珀罗谐振腔用于被入射光间接激发，产生法布里‑珀罗谐振腔共振作为构成法诺共振的暗态。两种共振态耦合形成法诺共振，石墨烯用于实现法诺共振波长的可调性。本发明使用石墨烯金属超表面，可用于产生法诺共振可调吸收器，且具有高品质因数和偏振不敏感特性，提高了吸收器在生物医学领域进行特定分子检测的精度和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于可调吸收器技术领域，特别是一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器。
背景技术
法诺共振是一种由亮态和暗态干涉产生的非对称线形的共振现象，由于其具有尖锐的共振峰和显著的近场增强，近年来在光学领域得到人们深入研究。由于品质因素远高于局域表面等离子体共振，法诺共振被广泛应用于光学传感器、光学开光、特定分子检测等方面。法诺共振可以在纳米结构尺寸中被激发，产生方式有多种，例如不同折射率构成的无序结构、波导中的导模耦合、打破对称的超表面结构，以及超表面与法布里-珀罗谐振腔的模式耦合。
通过打破结构对称的超表面来产生法诺共振是目前产生法诺共振比较常见的方法。超表面是一种人工二维超材料，因为独特的光学性质而受到广泛关注，被广泛应用于吸收器，分束器等领域。超表面由亚波长结构尺寸单元周期性排列组成，利用超表面的纳米结构可以产生局域表面等离子共振，纳米颗粒或金属会对 光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振的现象，这时会在光谱上出现一个强的共振吸收峰。同时，纳米结构在入射光的激发下会因为偶极矩而产生共振，当打破纳米结构的对称性时，会在结构中产生高阶共振模式，这种高阶共振模式具有窄的共振线型，且由入射光间接激发，因此可以作为暗态与纳米结构的局域表面等离激元共振耦合产生法诺共振。大部分通过打破对称的微纳结构形成法诺共振，这种不对称的结构导致其对入射光偏振态有特定要求，即具有偏振敏感性。
法布里-珀罗谐振腔是由两个平行反射镜组成的光学谐振腔，具有窄的共振线型，通过和局域表面等离激元耦合也可形成具有高品质因素的法诺共振。同时，由于这种结构并未打破结构本身的对称性，其对入射光具有不敏感性。但是，目前基于打破对称超表面结构和超表面-腔耦合结构的法诺共振吸收器，由于结构本身的固定性，都只能通过调整结构几何参数来改变法诺共振的共振波长，限制了其在生物检测领域的作用。
在近十几年中，石墨烯由于良好的线形光学特性而受到越来越多的关注。石墨烯是一种由碳原子构成只有一个原子层厚度的二维材料，于2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用透明胶首次得到。石墨烯材料的费米能级可以随着施加在其上电压的变化而变化，导致石墨烯的介电常数发生改变，从而影响其光学性质。这种光学可调性质使其在光电器件领域具有极大的应用潜力。目前，已有将石墨烯用于光学吸收器的报道，但是其偏振敏感的特性及较低的品质因素限制了在光学检测领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型可调谐的石墨烯金属超表面Fano共振吸收器，该可调吸收器具有品质因数高、共振波长可调、偏振不敏感等特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，所述可调吸收器包括玻璃衬底、金属超表面、法布里-珀罗谐振腔及石墨烯。金属超表面用于激发局域表面等离激元共振，作为构成法诺共振的亮态，法布里-珀罗谐振腔产生的共振用于构成法诺共振的暗态，石墨烯用于调节法诺共振波长。通过控制石墨烯外加电压可以改变石墨烯费米能级进而改变石墨烯介电常数，从而改变石墨烯的光学性质，实现共振波长的可调。
进一步地，所述可调吸收器的金属超表面基本构成为纳米环，结构材料为金。
进一步地，所述金属超表面是由金纳米环组成的具有周期性的阵列。
进一步地，对于无开口的金纳米环，所述金属超表面可以在入射光激发下产生局域表面等离激元共振，构成法诺共振的亮态。由于金属损耗，局域表面等离激元共振具有较宽的共振线型。
进一步地，当改变金纳米环的内外半径比，金属超表面产生的局域表面等离激元共振的波长会发生改变。
进一步地，所述法布里-珀罗谐振腔由两面平行反射镜构成，具有平行反射镜作用的结构分别为金纳米环阵列和金层，法布里-珀罗谐振腔产生的共振具有尖锐的共振峰。
进一步地，所述法布里-珀罗谐振腔结构中，N阶腔模共振波长、腔长L及腔内介质折射率/>需要满足公式：
其中，是一个常数。当改变谐振腔腔长，法布里-珀罗谐振腔共振波长会发生改变。
进一步地，所述金纳米环产生的局域表面等离激元共振波长与法布里-珀罗谐振腔共振波长处于相近波长范围内时，两种共振可以发生耦合，产生双法诺共振。所述双法诺共振产生于近红外波段，且耦合产生的法诺共振具有较窄的共振线型。
进一步地，所述石墨烯位于金属纳米环阵列与玻璃衬底之间，采用多层石墨烯，以实现对共振波长的良好可调效果。
进一步地，所述石墨烯结构，当改变石墨烯外加电压，可以改变石墨烯费米能级，由石墨烯kubo公式进而可以改变石墨烯的介电常数，产生的法诺共振的波长会发生改变。石墨烯的介电常数由简化的石墨烯kubo公式给出：
式中，为石墨烯介电常数的实部，/>为石墨烯介电常数的虚部，/>为元电荷带电量，/>为自由空间介电常数，/>为石墨烯的厚度，/>为光场强度，/>为费米能级，/>是一个参数。
进一步地，所述可调吸收器可应用于样品分子检测，待测样品置于谐振腔内。不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振谱可以得出样品的折射率，从而有助于分析样品的成分或性质。
进一步地，所述可调吸收器的结构是几何对称的，对入射光具有偏振不敏感性，在实际应用中不受入射光偏振态的影响。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1）本发明采用金属超表面、法布里-珀罗谐振腔与石墨烯相结合的方式，产生高品质因数、共振波长可调的法诺共振。2）石墨烯层位于金纳米环阵列和玻璃之间，不会影响较窄的法诺共振线型。3）通过改变石墨烯外加电压可以灵活调节法诺共振的波长，可以对不同波长分子进行精准检测，提高了在生物医学领域应用中的检测精度和灵活性。4）本发明结构具有几何对称性，对入射光具有偏振不敏感性，在实际应用中不受入射光偏振态的影响，适用方面更加广泛。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明中石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器结构示意图。
图2（a）为金属纳米环结构，图2（b）为仿真在入射光照射下金纳米环阵列产生的局域表面等离激元共振示意图。
图3为改变金纳米环内外半径比，仿真产生的不同共振波长的局域表面等离激元共振示意图。
图4（a）为法布里-珀罗谐振腔结构，图4（b）为仿真在入射光照射下法布里-珀罗谐振腔产生的共振示意图。
图5为改变法布里-珀罗谐振腔的腔长，仿真产生的不同共振波长的法布里-珀罗谐振腔共振示意图。
图6为仿真在入射光照射下，石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器产生的法诺共振示意图。
图7（a）为石墨烯费米能级为1.1eV时的法诺共振仿真结果图，图7（b）为石墨烯费米能级为1.2eV时的法诺共振仿真结果图。
图8（a）为入射光的偏振态为左旋圆偏振（LCP）对应的石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器产生的反射光谱，图8（b）为入射光的偏振态为右旋圆偏振（RCP）对应的石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器产生的反射光谱。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的几个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器，所述可调吸收器包括玻璃衬底、金属超表面、法布里-珀罗谐振腔及石墨烯。
所述可调吸收器结构为长方体，关于x和y方向呈中心对称，在z方向由不同结构分层组成。最顶层和最底层为玻璃衬底，顶层玻璃衬底下方为石墨烯层，石墨烯层下方为金纳米环阵列，金纳米环阵列下方（包含阵列所占的空间）为法布里-珀罗谐振腔，法布里-珀罗谐振腔下方与底层玻璃衬底之间为金层，整体结构如图1所示。最顶层和最底层的玻璃衬底长宽均为2500nm，厚度均为500nm。最底层玻璃衬底上附有厚度为50nm的金层，构成法布里-珀罗谐振腔的反射镜之一，谐振腔腔长为950nm。金纳米环阵列分布在法布里-珀罗谐振腔顶部，与最顶层玻璃衬底相贴。每个金纳米环外环半径为130nm，内环半径为50nm，厚度为50nm，纳米环阵列周期为300nm。石墨烯层介于金纳米环阵列与最顶层玻璃之间，长宽均为2500nm，层数为5层，费米能级为1.2eV。这些结构可以在Lumerical FDTD Solutionos仿真软件中分层构建出来，并设置好相应的几何参数。
这里，金属超表面和法布里-珀罗谐振腔结构分别用于产生法诺共振的亮态和暗态。纳米环阵列的局域表面等离激元共振具有较宽的共振线形状，可以直接被入射光激发，作为产生法诺共振的亮态。法布里-珀罗谐振腔可以被入射光间接激发，产生窄谐振线形状的谐振腔模，作为产生法诺共振的暗态。因此，通过用纳米环阵列取代法布里-珀罗谐振腔顶部的金属薄膜，可以通过亮态和暗态的耦合产生法诺共振。
仿真中在x和y方向使用周期型边界条件，在z方向使用PML边界条件。在衬底上表面700nm处设置一个监视器（monitor），类型为2D Z-normal，监测波段为700nm～1400nm，频率点为300。在结构上方450nm处设置光源（source），入射光源为平面波，入射区域包含单个纳米环结构单元，仿真时对上述单个纳米环进行FDTD三维扫描。仿真网格（mesh）区域包含上述单纳米环，网格精度设置为dx=dy=dz=3nm。
单独研究金属超表面产生的局域表面等离激元共振，金纳米环阵列结构如图2（a）所示。金纳米环阵列构成的金属超表面在入射光激发下产生局域表面等离激元共振，由于金属结构具有较大的欧姆损耗，而基于局域表面等离激元共振的超表面大多正是以金属结构为基础，因此该类超表面的共振峰的半高宽很大，具有较宽的共振线型，导致品质因数较低，如图2（b）所示。
图3为金纳米环内外半径比为6:12时产生的局域表面等离激元共振，对比图2（b）可见，改变金纳米环的内外半径比会改变金属超表面产生的局域表面等离激元共振的波长：当金纳米环内外半径比从5:13改变为6:12时，局域表面等离激元共振波长从844nm改变为881nm。
单独研究法布里-珀罗谐振腔产生的具有极窄线型的共振，法布里-珀罗谐振腔结构如图4（a）所示，其产生的共振线型如图4（b）所示。对于法布里-珀罗谐振腔，N阶腔模共振波长、腔长L及腔内介质折射率/>需要满足以下公式：
其中为表示腔内测试介质折射率的变量，/>是一个常数。法布里-珀罗谐振腔的腔长发生改变时，共振波长会发生改变。
图5为法布里-珀罗谐振腔腔长为1000nm时产生的谐振腔共振，结合图4（b）与图5可知，当法布里-珀罗谐振腔腔长从950nm变为1000nm时，谐振腔共振波长从886nm与1324nm改变为927nm与1387nm。
当局域表面等离激元共振波长与谐振腔共振波长处于相同波长范围内时，两种共振态可以发生耦合，产生法诺共振，如图6所示。本发明通过金属纳米环超表面与法布里-珀罗谐振腔结合生成双法诺共振，双共振峰均具有较窄的线形，具有高品质因数。
本发明采用石墨烯对共振波长进行调节。目前对于法诺共振可调性的研究中，多数是通过改变结构自身的尺寸来实现的，如改变上述结构中金纳米环的内外半径比、法布里-珀罗谐振腔腔长等方式。改变原有结构参数固然能实现对共振波长的调控，但在实际应用中逐渐体现出其不便性。如在生物医学分子检测时，不同生物分子具有不同的吸收波段，对于这些分子就需要改变结构尺寸制造不同的吸收器来检测，这无疑增加了检测过程的复杂度及检测成本。本发明结构中引入石墨烯材料，利用石墨烯可调谐的光电性质，通过控制石墨烯外加电压可以调节石墨烯费米能级，进而调节石墨烯的介电常数，能够对耦合产生的法诺共振的波长进行调节。
改变石墨烯外加电压会导致石墨烯费米能级发生变化，进而会导致石墨烯介电常数发生变化，从而改变法诺共振波长。石墨烯介电常数的计算由以下kubo公式给出：
其中，为石墨烯介电常数的实部，/>为石墨烯介电常数的虚部，/>为元电荷带电量，/>为自由空间介电常数，/>为石墨烯的厚度，/>为光场强度（/>，/>为普朗克常量，/>为真空中光速，/>为光的波长），费米能级/>是石墨烯内掺杂水平或载流子密度的指标（有时也称为化学势），参数/>可取为/>（通过石墨烯薄片的反射光谱测得），1 / τ为自由载流子散射率。
在近红外频率段，石墨烯的带内跃迁较弱，带间跃迁占主导地位，故可以假设自由载流子散射率1 / τ趋向于零，因此计算石墨烯介电常数的kubo公式可以简化为：
改变石墨烯外加电压，通过上述公式计算可得到不同的介电常数。
下面将通过仿真在不同石墨烯外加电压下，石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器产生的法诺共振进行说明。以石墨烯费米能级从1.1eV改变到1.2eV为例，根据FDTD仿真得到两个法诺共振线型，如图7（a）和图7（b）所示。其中图7（a）和图7（b）分别为石墨烯费米能级为1.1eV和1.2eV时的法诺共振仿真结果，可见法诺共振峰发生了偏移，共振波长从857nm与1210nm改变到845nm与1206nm。
下面将验证该石墨烯金属超表面法诺共振可调吸收器的对称结构对入射光具有偏振不敏感性。当入射光的偏振态分别为左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）时，结构对应的反射光谱如图8（a）和图8（b）所示。可以看出随着入射光偏振态的改变，其反射光谱的共振波长保持不变，分别为845nm和1206nm，因此可以证明这种超表面结构对入射光具有偏振不敏感性。与现在多数研究者采用打破对称的方式如采用非对称结构产生法诺共振相比，本发明的对称结构不受入射光偏振态的限制，在实际中具有更广泛的应用。
本发明使用石墨烯金属超表面，可用于产生法诺共振可调吸收器，且具有高品质因数和偏振不敏感特性，提高了吸收器在生物医学领域进行特定分子检测的精度和灵活性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述可调吸收器包括玻璃衬底、金属超表面、法布里-珀罗谐振腔及石墨烯；所述金属超表面用于激发局域表面等离激元共振，作为构成法诺共振的亮态，所述法布里-珀罗谐振腔产生的共振用于构成法诺共振的暗态，所述石墨烯用于调节法诺共振波长；所述可调吸收器可在近红外波段产生双法诺共振，通过控制石墨烯外加电压可改变石墨烯费米能级进而改变石墨烯介电常数，从而改变石墨烯的光学性质，实现共振波长的可调。
2.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔包括两面平行反射镜，所述两面平行反射镜分别由金层和金纳米环阵列构成。
3.根据权利要求2所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔结构中，N阶腔模共振波长、腔长L及腔内介质折射率/>需满足以下公式：
其中，N为腔模阶数，/>是一个常数。
4.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述金属超表面采用金纳米环阵列结构，阵列结构具有周期性；对于无开口的金纳米环，入射光可直接激发局域表面等离激元共振，构成法诺共振的亮态；当改变所述金纳米环的内外半径比时，局域表面等离激元共振波长会发生改变。
5.根据权利要求4所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，当局域表面等离激元共振波长与法布里-珀罗谐振腔共振波长处于相同波长范围内时，两种共振态可发生耦合，产生法诺共振，且法诺共振具有较窄的共振峰。
6.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯位于金纳米环阵列与玻璃衬底之间，且采用多层石墨烯结构。
7.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯的介电常数由简化的石墨烯kubo公式给出：
式中，/>为石墨烯介电常数的实部，为石墨烯介电常数的虚部，/>为元电荷带电量，/>为自由空间介电常数，/>为石墨烯的厚度，/>为光场强度，/>为费米能级，/>是一个参数。
8.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，所述可调吸收器的结构是几何对称的，对于入射光具有偏振不敏感性。
9.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，其特征在于，当可调吸收器应用于样品检测时，待测样品置于法布里-珀罗谐振腔内部，不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振谱可以得出样品的折射率，进而可分析样品的成分或性质。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311613373.1A Active CN117310857B (zh) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | 一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117310857B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110568525A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 基于微纳起偏器及f-p腔结构的彩色纳米印刷器件 |
| US20210381900A1 (en) * | 2017-06-18 | 2021-12-09 | William N. Carr | Photonic- and phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection |
| CN116666986A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-08-29 | 上海大学 | 一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面 |
-
2023
- 2023-11-29 CN CN202311613373.1A patent/CN117310857B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210381900A1 (en) * | 2017-06-18 | 2021-12-09 | William N. Carr | Photonic- and phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection |
| CN110568525A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 基于微纳起偏器及f-p腔结构的彩色纳米印刷器件 |
| CN116666986A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-08-29 | 上海大学 | 一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117310857B (zh) | 2024-03-19 |
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