CN213633884U - 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 - Google Patents
一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN213633884U CN213633884U CN202022828109.8U CN202022828109U CN213633884U CN 213633884 U CN213633884 U CN 213633884U CN 202022828109 U CN202022828109 U CN 202022828109U CN 213633884 U CN213633884 U CN 213633884U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thin layer
- dielectric thin
- hansen
- graphene
- resonance state
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本实用新型提供了一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，属于光学技术领域。包括非厄米电介质薄层和两个石墨烯单层，两个石墨烯单层分别沉积在非厄米电介质薄层的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度由某一石墨烯单层穿过时，可提高共振态的反射率，且在共振态附近可以获得大的古斯‑汉森位移。本实用新型具有能够提高复合结构共振态的反射率和获得在共振态附近的较大古斯‑汉森位移等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构。
背景技术
当光在两种不同媒质的分界面上发生全反射时，相对于几何光学预测的位置，反射光束存在一个横向位移，即空间古斯-汉森 (Goos-
GH)位移。古斯-汉森位移可广泛用于对光波长、角度和材料折射率等的传感与检测。
当光在媒质的分界面上发生全反射时，会有部分光波渗入到下层媒质，形成倏逝波。该效应等效于将分界面向下移动一定的距离，引起反射点和反射光束相对于入射点发生了横向移动。反射光束的横向位移可以为正，也可以为负。而实际上，当光束中各个波长的光波在分界面上发生反射时，不同频率的光波，其相对相位移动各不相同，这就导致了叠加后形成的反射光束存在一个横向移动。
古斯-汉森位移最开始由古斯和汉森在实验上测得，但因空间古斯和汉森位移只有几个波长的量级，刚开始很难在实验上进行验证，在实践中也不易体现出其应用价值。后续研究表明，部分反射光也可以存在古斯-汉森位移，而且量级还可以进一步提高。另外，反射光束还可以在角度上发生偏转，即角度古斯-汉森位移。
如何提高古斯-汉森位移的量级，以及挖掘古斯-汉森位移的潜在应用价值，是人们一直努力的方向。研究发现，当材料中存在弱损耗时，可以诱发几十倍波长量级的古斯-汉森位移；在光子晶体的带隙边缘，也可以存在较大的古斯-汉森位移；另外，在非厄米光子系统中(系统中存在增益和损耗，或二者其一)的异常点(exceptional points：EPs)附件，可以出现极大的古斯-汉森位移。在这三种情况中的一个共同的弊端都是反射率非常低，尤其是在异常点，反射率为零，这对实际中的探测和应用带来极大的困难。
石墨烯作为一种新兴的二维材料，具有良好的电学和力学特性，被广泛应用科学研究和生产实践中。石墨烯中存在的弱损耗，这可以导致反射系数相位急剧地改变，从而获得较大的古斯-汉森位移；同时，石墨烯的导电性可以被用来增强光的反射率。为此，我们将石墨烯和非厄米电介质薄层复合，来提高共振态的反射率，以及在共振态附近，可以获得极大的古斯-汉森位移。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，本实用新型所要解决的技术问题是提高复合结构共振态的反射率和获得在共振态附近的较大古斯-汉森位移。
本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，其特征在于，包括非厄米电介质薄层和两个石墨烯单层，两个石墨烯单层分别沉积在非厄米电介质薄层的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度由某一石墨烯单层穿过时，可提高共振态的反射率，且在共振态附近可以获得大的古斯-汉森位移。
进一步的，所述非厄米电介质薄层的材料为二氧化硅，可通过掺入铒离子实现对非厄米电介质薄层的增益控制，可掺入铜离子对非厄米电介质薄层的损耗控制。
本实用新型的优点：将非厄米电介质薄层与石墨烯复合，相对于无石墨烯的情况，可以大大地增强共振态的反射率；还可以极大地提高反射光束的空间古斯-汉森位移；在共振态附件，古斯 -汉森位移可高达108倍波长，而且该位移对入射角、入射波长和介电常数极其敏感，因此，该结构可用于高灵敏度角度、波长和介电常数传感与检测。
附图说明
图1是本复合结构的层结构图。
图2中的(a)图是透射率对角度的依赖关系；图2中的(b)图是反射率对角度的依赖关系；图2中的(c)图是反射系数相位随角度的变化关系；图2中(d)图是古斯-汉森位移随角度的变化关系。
图3中的(a)图是透射率随波长的变化关系；图3中的(b)图是反射率随波长的变化关系。
图4中的(a)图是反射系数相位随波长的变化关系；图4中(b) 图是空间古斯-汉森位移随波长的变化关系。
图中，σ、石墨烯单层；G、非厄米电介质薄层。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
将石墨烯单层沉积在非厄米电介质薄层的上、下表面，形成三明治结构，如图1所示。非厄米电介质薄层的厚度为d＝18μm(微米)，非厄米电介质薄层存在增益或损耗。薄层材料的介电常数为ε＝εr+iεi，其中εr＝2表示介电常数的实部，εi表示介电常数的虚部， i是虚数单位。虚部为正，代表损耗介质；虚部为负，代表增益介质。字母σ表示石墨烯单层，G表示非厄米电介质薄层。实线1 表示入射光线，虚线2表示几何光学预测的反射光线，实线3表示发生负古斯-汉森位移后的反射光线，实线4表示发生正古斯- 汉森位移后的反射光线，实线5表示透射光线。符号+Δ表示正的古斯-汉森位移，符号-Δ表示负的古斯-汉森位移。字母θ表示光线的入射角，要发生古斯-汉森位移，必须是斜入射。
非厄米电介质薄层的材料为二氧化硅，通过掺入铒离子等杂质实现对电介质的增益控制，掺入铜离子等实现对损耗的控制。当输入波长固定时，例如λ＝10μm的横磁波，改变光的入射角度，可以得到光波的透射率，如图2中(a)所示，横坐标单位deg表示度，即“°”。环境温度设置为常温T＝23℃，石墨烯的化学势设定为μc＝0.15eV(eV表示电子伏)。不同的介电常数的虚部，对应着不同的在透射率曲线。在每根透射率曲线中，都存在一个透射峰，也叫共振峰，对应的就是共振态。可以看到，介电常数的虚部基本不影响共振峰的位置，共振态对应的入射角为θ＝57.8°。当εi＝-0.05时，介质中存在增益，此时最大透射率可以大于1；而当εi＝0.05时，对应着损耗介质，此时透射率都小于1。对于无损介质，即εi＝0，共振态的最大透射率为1。此现象表明，在石墨烯的作用下，通过调制电介质的增益和损耗，可以极大地增强共振态的反射率。
图2中(b)是反射率曲线。可以看到，在共振态处，反射率曲线存在一个谷值。插图表示共振态附近的反射率，图中表明：对于无损介质，共振态对应的反射率为0；当为非厄米介质时，即存在增益和损耗时，共振态的反射率不为零。因此，可以通过调制该结构中介质的增益和损耗来增强共振态的反射率。
图2中(c)表示反射系数的相位随入射角度的变化关系，纵坐标单位rad表示弧度。可以看到：当εi＝0和εi＝0.05时，在共振态附件，存在一个无意义的2π相位跳变，因此，忽略掉这个跳变，相位随入射角连续变化；在共振态附件，曲线的变化率比较大，基于空间古斯-汉森位移正比于反射系数的相位变化率，可以判定在共振态附近存在较大的古斯-汉森位移。
图2中(d)表示反射光束的空间古斯-汉森位移对入射角度的依赖关系。在共振态附近，古斯-汉森位移较大。当εi＝±0.05时，最大古斯-汉森位移为几个波长的量级，而当εi＝0时，斯-汉森位移可高达几百个波长。这表明，通过在非厄米薄层上附着石墨烯，可以大大地提高古斯-汉森位移的量级，而且该位移对角度和介电常数极其敏感，该结构可应用于高灵敏度角度和介电常数传感与检测。
当横磁波以入射角θ＝40°入射到复合结构上时，图3中(a)给出的是透射率随入射波长的变化关系。可以看到，每个透射谱上都有四个共振峰，被依次用星号标记，从左到右的四个共振峰分别代表四波长、三波长、双波长和单波长共振。当介质中存在增益时，共振态的透射率会大于1，而且多波长共振比单波长共振的透射率更大。图3中(b)给出的是反射率随波长的变化关系。可以看到，在每根反射率曲线中，共振态的反射率最小。对比三种类型的电介质，在增益介质中，即εi＜0时，共振态的反射率最大；在损耗介质中，即εi＞0时，共振态的反射率其次；无损介质的共振态反射率为0。
图4中(a)给出的反射系数的相位随波长的变化关系，介电常数的虚部取εi＝-0.00。图中表明：在共振态附近，反射系数相位随波长的增加而发生剧烈地变化，而且曲线中也存在无意义的2π的相位跳变；多波长共振态附近的相位变化比单波长共振态附近的相位变化剧烈；相位曲线的变化斜率有正有负，这表明在共振态附件，存在巨大的正、负古斯-汉森位移。图4中(b)给出的是空间古斯-汉森位移对波长的响应曲线。在共振态附近，古斯-汉森位移非常巨大，而还可以是负值，为了便于观察整个古斯-汉森位移的轮廓图，对古斯-汉森位移取绝对值，再求对数。可以看到，最大古斯-汉森位移位于四波长共振态附近，可以高达108λ量级，这说明古斯-汉森位移对入射波长极其敏感，可用于高灵敏度波长传感与检测。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，其特征在于，包括非厄米电介质薄层(G)和两个石墨烯单层(σ)，两个石墨烯单层(σ)分别沉积在非厄米电介质薄层(G)的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度由某一石墨烯单层(σ)穿过时，可提高共振态的反射率，且在共振态附近可以获得大的古斯-汉森位移。
2.根据权利要求1所述一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，其特征在于，所述非厄米电介质薄层(G)的材料为二氧化硅。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022828109.8U CN213633884U (zh) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022828109.8U CN213633884U (zh) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN213633884U true CN213633884U (zh) | 2021-07-06 |
Family
ID=76637982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202022828109.8U Active CN213633884U (zh) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN213633884U (zh) |
-
2020
- 2020-11-30 CN CN202022828109.8U patent/CN213633884U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Broadband wide-angle multilayer absorber based on a broadband omnidirectional optical Tamm state | |
| Zhu et al. | Switchable and tunable terahertz metamaterial absorber with broadband and multi-band absorption | |
| Zheng et al. | Terahertz perfect absorber based on flexible active switching of ultra-broadband and ultra-narrowband | |
| Chen et al. | Broadband, wide-incident-angle, and polarization-insensitive high-efficiency absorption of monolayer graphene with nearly 100% modulation depth at communication wavelength | |
| Dao et al. | Selective thermal emitters with infrared plasmonic indium tin oxide working in the atmosphere | |
| Liang et al. | Frequency tunable perfect absorber in visible and near-infrared regimes based on VO 2 phase transition using planar layered thin films | |
| Patel et al. | Design of an ultra-wideband solar energy absorber with wide-angle and polarization independent characteristics | |
| Keshavarz et al. | Self-referenced terahertz refractive index sensor based on a cavity resonance and Tamm plasmonic modes | |
| Gu et al. | Tunable THz perfect absorber with two absorption peaks based on graphene microribbons | |
| Lu et al. | Broadband reflective lens in visible band based on aluminum plasmonic metasurface | |
| Sekhi et al. | Ultra-broadband, wide-angle, and polarization-insensitive metamaterial perfect absorber for solar energy harvesting | |
| Lu et al. | Omnidirectional photonic bandgap in one-dimensional photonic crystals containing hyperbolic metamaterials | |
| Dong et al. | Critical Coupling and Perfect Absorption Using α‐MoO3 Multilayers in the Mid‐Infrared | |
| Wu et al. | A redshifted photonic bandgap and wide-angle polarization selection in an all-hyperbolic-metamaterial one-dimensional photonic crystal | |
| Xu et al. | Multifunctional analysis and verification of lightning-type electromagnetic metasurfaces | |
| Li et al. | Narrowband mid-infrared thermal emitters based on the Fabry-Perot type of bound states in the continuum | |
| Wei et al. | Numerical study of biosensor based on α-MoO3/Au hyperbolic metamaterial at visible frequencies | |
| CN213633884U (zh) | 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 | |
| CN112363252A (zh) | 一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构 | |
| Fang et al. | Unified analyses and optimization for achieving perfect absorption of layered absorbers with ultrathin films | |
| Pan et al. | Exploiting black phosphorus based-Tamm plasmons in the terahertz region | |
| Karampour et al. | Infrared-visible ultra-wide band polarization-independent metamaterial absorber utilizing low conductivity π-shaped element | |
| US20210181542A1 (en) | Tunable Spectral Filters | |
| Wang et al. | Ultrahigh FOM and multiple Fano resonances in MIM waveguide systems with half-ring and rectangular cavities | |
| CN113534505A (zh) | 一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |