[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光高效率吸收的方法及吸波裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010106489.6
• 申請(qǐng)日: 2020-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN111273383B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 桑田;李國(guó)慶;齊紅龍;尹欣;王勛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B5/00
• 分類號(hào): G02B5/00;G02B5/08;C23C14/14;C23C14/10;C23C16/26;C23C16/56;C23C28/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽(yáng)光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 林娟

本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光高效率吸收的方法及吸波裝置，屬于光電探測(cè)與微納光機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。所述裝置的結(jié)構(gòu)從上到下依次由石墨烯方片周期性陣列、介質(zhì)薄膜層和金屬反射鏡構(gòu)成，其中石墨烯方片位于元胞中心位置，介質(zhì)薄膜層用來分隔石墨烯和金屬反射鏡，金屬反射鏡為一塊厚度大于入射光波長(zhǎng)趨膚深度的金屬薄片。針對(duì)本發(fā)明裝置激發(fā)的石墨烯等離子體共振，利用Fabry?Pérot理論可以準(zhǔn)確估算吸收峰位置；通過調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)可以動(dòng)態(tài)選擇增強(qiáng)吸收通道；通過在元胞中集成多個(gè)不同邊長(zhǎng)的石墨烯方片，可以獲得多個(gè)高效率的吸收通道。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光高效率吸收的方法及吸波裝置，屬于光電探測(cè)與微納光機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

旋轉(zhuǎn)電矢量端點(diǎn)描出圓軌跡的光稱為圓偏振光，它在諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。例如，在量子信息處理中，基于圓偏振光和量子點(diǎn)-腔系統(tǒng)的相互作用可以提高遠(yuǎn)距離量子通信的安全性和保真度；在通信領(lǐng)域，圓偏振激光因其自身的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，使系統(tǒng)的性能不受通信終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，特別適用于移動(dòng)通信終端；在光電探測(cè)領(lǐng)域，通過借助金屬等離子體手性超材料，可以選擇左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的吸收效率，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)基于偏振態(tài)調(diào)控的光電探測(cè)；此外，圓偏振發(fā)光材料近年來受到廣泛關(guān)注，圓偏振光反映出手性發(fā)光材料的激發(fā)態(tài)信息，在光信息存儲(chǔ)與光信息處理中發(fā)揮重要作用。

石墨烯(Graphene)作為一種新型二維材料，其獨(dú)特優(yōu)異的光電特性引起了納米材料、凝聚態(tài)物理以及工程學(xué)界的極大興趣，并且在新能源材料、超級(jí)電容器和高速晶體管等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。尤其是，在中紅外到太赫茲波段，石墨烯和金屬等離子體材料類似，可以產(chǎn)生光場(chǎng)高度局域的石墨烯等離子體共振，可以有效提升光與石墨烯的相互作用。近年來，圓偏振光與石墨烯的相互作用逐漸受到人們關(guān)注，主要集中在以下幾方面：一是通過構(gòu)建不對(duì)稱的石墨烯微結(jié)構(gòu)圖案，可以對(duì)入射的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光獲得不同的傳輸效率；二是通過將石墨烯和金屬等離子體手性超材料相結(jié)合，可以控制左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的透射率，并由此獲得不同的圓二色性。此外，采用石墨烯手性超材料結(jié)構(gòu)，通過激發(fā)石墨烯微結(jié)構(gòu)圖案中的等離子體共振模式，可以對(duì)入射的圓偏振光實(shí)現(xiàn)振幅、相位和偏振態(tài)的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓偏振光與線偏振光和橢圓偏振光的傳輸轉(zhuǎn)換。然而，當(dāng)前利用石墨烯實(shí)現(xiàn)對(duì)圓偏振光吸收增強(qiáng)的研究很少，極少數(shù)研究雖然涉及石墨烯對(duì)圓偏振光的選擇性吸收，但是吸收效率低，共振吸收峰位置難以有效估算，也沒能夠獲得基于圓偏振光的多個(gè)高效率吸收增強(qiáng)通道，這限制了石墨烯在中紅外到太赫茲波段對(duì)圓偏振光吸收增強(qiáng)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光高效率吸收的方法及吸波裝置。

本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光高效率吸收的裝置，石墨烯對(duì)圓偏振光的高效率吸收本質(zhì)源于石墨烯等離子體共振，當(dāng)圓偏振光入射到石墨烯方片時(shí)，在圓偏振光兩個(gè)正交方向電場(chǎng)的激發(fā)下，電荷在石墨烯方片的邊緣積累形成石墨烯等離子體共振，電場(chǎng)在石墨烯方片附近被高度局域并顯著增強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)圓偏振光的高效率吸收；所述裝置由結(jié)構(gòu)元胞構(gòu)成，所述元胞從上到下依次由石墨烯方片、介質(zhì)薄膜層和金屬反射鏡構(gòu)成。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述介質(zhì)薄膜層用來分隔石墨烯和金屬反射鏡；所述金屬反射鏡的厚度大于入射光波長(zhǎng)趨膚深度。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述金屬反射鏡材料采用金，石墨烯方片的邊長(zhǎng)L＝0.32μm；二氧化硅厚度d＝2.2μm，結(jié)構(gòu)元胞的周期P＝0.8μm，圓偏振光從上方垂直入射至器件表面。

本發(fā)明提供了一種吸波裝置的制備方法，采用電子束蒸發(fā)鍍膜、或磁控濺射鍍膜等方式將金屬沉積到光學(xué)基底上，得到一定厚度的金屬反射鏡；在此基礎(chǔ)上，采用熱蒸發(fā)鍍膜或電子束蒸發(fā)鍍膜等方式將介質(zhì)層薄膜均勻沉積到金屬反射鏡的表面；然后，采用轉(zhuǎn)移方法或化學(xué)氣相沉積等方法在介質(zhì)層表面沉積石墨烯；最后，通過電子束直寫或聚焦離子束刻蝕或激光直寫等方式制備石墨烯方片周期性陣列。所述吸波裝置由結(jié)構(gòu)元胞構(gòu)成，所述元胞從上到下依次由石墨烯方片、介質(zhì)薄膜層和金屬反射鏡構(gòu)成。