偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的制作方法

本发明涉及光电材料和光子学等领域，具体涉及一种偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器。

背景技术：

电磁波频谱中的红外频段可划分为近红外(0.76μm～2.5μm)、中红外(2.5μm～25μm)和远红外(25μm～1000μm)三个频段。自然界中一切物体都可以辐射红外线，通过利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外影像。大气和烟云等可以吸收可见光和近红外线，但是对8～14μm的热红外线(中红外频段)却是透明的。因此，这个频段被也称为热红外线的“大气窗口”。利用光谱技术进行热红外成像为在军事提供了先进的夜视装备和全天候前视系统。

石墨烯(graphene)是一种由单层碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，它只有一个原子层厚度的准二维材料，又叫单原子层石墨。石墨烯具有十分良好的导电、导热、机械强度和柔韧性以及光学特性，在物理学、材料学、电子信息与计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。石墨烯的传导电子可以与入射的光子相互作用形成耦合电磁模(即，等离激元共振)，能够突破传统的光学衍射极限，因此可作为光传输器件包括光耦合器件中的信息载体。但是，单层石墨烯结构对可见光以及红外频段光的吸收率仅为2.3％。目前的研究技术在如何有效调控石墨烯结构对光波或电磁波的光谱响应特性包括石墨烯结构在不同频段的光谱陷波响应的可控操作等方面都存在很大的技术难题。如近期公开的专利申请[申请号201610062949.3，申请公布号cn105700201a]，虽然提供了一种基于石墨烯的光滤波器件，但结构本身需要涉及到电解质层、金属电极、石墨烯条带阵列、介质层、金属光栅和衬底等众多的结构元件和模块，不利于器件的简易制备和集成应用。近期公开的发明专利申请[申请号201611235973.9，申请公布号cn106684510a]公开了一种基于石墨烯的开口六面环形可调双频滤波器，虽然在太赫兹频段实现了双频带的透射滤波响应，但结构所需的基板、开口正六面环形贴片、倒u形贴片、反向l形贴片、l形贴片与倒t形贴片等诸多结构单元极大地增加了此类滤波器的结构复杂性，不可避免地限制了其在器件制备与集成等方面的应用。同时在技术上如何实现人为调控基于石墨烯结构的光学滤波响应也一直存在难题。人为调控多频带石墨烯滤波结构更是现有技术领域的一个空白。此外，传统技术层面的光传输结构包括光学滤波器件都存在结构尺寸较大、光谱不可调谐等不足。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明为了提供一种工作在中红外频段的可通过偏振态进行人为调控的多频带石墨烯阵列滤波器，旨在引入石墨烯材料、利用石墨烯颗粒的电磁共振特性以及共振效应受偏振态影响等特点，简化滤波器的结构单元和增加光谱的可调控频带数目以及人为调控的手段和方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器，它包括衬底、石墨烯阵列结构层，其特征在于：自下而上依次由衬底和石墨烯阵列结构层组成，所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒与空气狭缝复合结构的周期性阵列组成。所述空气狭缝在石墨烯颗粒结构上进行切割且狭缝的位置偏移颗粒中心位置，形成空间分离且对称性破缺的颗粒对结构。本发明基于石墨烯颗粒所具有的强电磁共振效应以及称性破缺的颗粒对结构的电磁共振与杂化耦合，通过入射光的偏振态的改变，实现光谱可调控的多频带滤波响应。

所述石墨烯颗粒与空气狭缝组成的结构对称性破缺的石墨烯颗粒对的周期性阵列图案设置在衬底上表面。

所述石墨烯颗粒的结构为圆柱形结构。

所述石墨烯阵列层厚度处于0.34nm-1nm范围。

所述衬底的材料为玻璃、柔性材料比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料。

所述偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括电子束和激光刻蚀技术等来制备。

本发明的偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器具有如下优点：

1、滤波器可以通过偏振态的调控实现对多频带光谱滤波的有效操控。

2、通过采用石墨烯阵列结构作为中红外光的共振耦合单元，利用对称性破缺的石墨烯颗粒对结构提供强的光学散射以及形成不同的共振杂化模式，实现了多频带滤波效应。

3、通过利用石墨烯阵列结构，从而实现了纳米尺度厚度上的光学滤波响应，从根本上克服了传统光学装置所面临的结构尺寸大、不利于高密度集成等内在问题。

4、本发明的多频带中红外石墨烯阵列滤波光谱范围发生在中红外频段，即热红外线的“大气窗口”，有利于在光谱技术包括热红外成像等方面的应用。

5、结构简单，便于制备，易于与其他光电器件进行系统集成。

6、基于石墨烯阵列结构的光学共振特性，易于进行光谱的调谐，产生在中红外频段可调谐的光学滤波特性，在红外探测、光电转换、红外成像以及热辐射器等领域都具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图进一步详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚地展示本发明所涉器件的结构，对其中选定的石墨烯阵列结构层区域的厚度以及空气狭缝宽度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，以下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1是本发明中偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的结构示意图；

图2是本发明中偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器结构中空气狭缝在石墨烯颗粒上进行结构切割且狭缝的位置偏移颗粒中心位置从而形成空间分离且对称性破缺的颗粒对结构以及入射光偏振角度φ的示意图，其中定义入射线偏振光的电场共振方向与狭缝垂直绕逆时针方向选择的角度即为偏振态角度或偏振角度φ；

图3是本发明一可选实施方案中偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝60nm。衬底为聚二甲基硅氧烷膜层，厚度为500nm。偏振角度φ＝0°和45°，分别对应于实现和虚线的吸收谱线。

图4是本发明一可选实施方案中偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝60nm。衬底为聚二甲基硅氧烷膜层，厚度为500nm。偏振角度φ＝30°，60°和90°，分别对应于实现、虚线和点虚线的吸收谱线。

图5是本发明一可选实施方案中偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为10nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝60nm。衬底为聚二氧化硅膜层，厚度为500nm。

图中标记：1、石墨烯颗粒，2、空气狭缝，3、衬底。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，一种偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器，自下而上依次设置衬底3、石墨烯阵列结构层，所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒1和空气狭缝2组成；所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒与空气狭缝复合结构的周期性阵列组成。所述空气狭缝在石墨烯颗粒结构上进行切割且狭缝的位置偏移颗粒中心位置，形成空间分离且对称性破缺的颗粒对结构。本发明基于石墨烯颗粒所具有的强电磁共振效应以及称性破缺的颗粒对结构的电磁共振与杂化耦合，通过入射光的偏振态的改变，实现光谱可调控的多频带滤波响应。本发明基于石墨烯颗粒所具有的强电磁共振效应，参阅图2所示，通过引入空气狭缝实现对石墨烯颗粒进行结构上的切割且狭缝的位置偏移颗粒中心位置，形成空间分离且对称性破缺的颗粒对结构。通过调节入射线偏振光的电场共振方向与狭缝垂直绕逆时针方向选择的角度即为偏振态角度或偏振角度φ，实现人为调控此发明的滤波器的光谱响应特性。石墨烯颗粒为圆柱形结构，阵列为正方排列。

前述衬底3可选用但不限于玻璃等硬质，或塑料、聚合物等柔性衬底，用于支撑石墨烯阵列。

作为较佳实施方案之一，前述石墨烯颗粒1由圆柱形石墨烯共振单元排列并构成周期性的晶格结构。

下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：参阅图3，图3所示系本实施例偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝60nm。衬底为聚二甲基硅氧烷膜层，厚度为500nm。偏振角度φ＝0°和45°，分别对应于实现和虚线的吸收谱线。从图上可以得出，在滤波器所处入射光的偏振角度为φ＝0°时，在中红外频段出现了三个吸收峰。在波长为10.512微米处呈现了第一个频带的吸收型滤波效应，吸收率达到了0.437。在波长为12.042微米处呈现了第二个频带的吸收峰，吸收率为0.452。在波长为13.148微米处呈现了第三个频带的吸收峰，吸收率为0.460。通过改变偏振角度为φ＝45°时，滤波器的吸收光谱产生了明显的变化，原来的三个吸收峰变为了四个吸收峰。在原来偏振角度为φ＝0°时所呈现的三个吸收峰的光谱附近有三个吸收率被减弱的峰。偏振角度为φ＝45°时，滤波器分别为在波长为10.319微米，11.863微米和12.918微米处产生了强的光谱吸收对应的吸收率为0.218，0.188和0.238。此外16.408微米，产生了一个光谱吸收率为0.207的新吸收峰。这表明，通过调节偏振角度，可以从光谱位置、光谱强度对此发明的基于石墨烯阵列多频带滤波器进行人为调控。

实施例2：参阅图4所示系本实施例偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝60nm。衬底为聚苯乙烯膜层，厚度为500nm。偏振角度φ＝30°，60°和90°，分别对应于实现、虚线和点虚线的吸收谱线。通过改变偏振角度为φ＝30°时，滤波器的吸收光谱产生了四个吸收峰。滤波器分别为在波长为10.320微米，11.878微米和12.918微米处产生了强的光谱吸收对应的吸收率为0.322，0.282和0.353。此外16.380微米，产生了一个光谱吸收率为0.103的新吸收峰。偏振角度为φ＝60°时，滤波器的吸收光谱产生了四个吸收峰。滤波器分别为在波长为10.331微米，11.878微米和12.918微米处产生了强的光谱吸收对应的吸收率为0.113，0.097和0.122。此外16.380微米，产生了一个光谱吸收率为0.311的新吸收峰。偏振角度为φ＝90°时，滤波器的吸收光谱只产生了一个明显的吸收峰。在波长16.408微米，产生了一个光谱吸收率为0.415的吸收峰。这表明，通过调节偏振角度，可以从光谱位置、光谱强度对此发明的基于石墨烯阵列多频带滤波器进行有效的人为调控。

实施例3：参阅图5，图5所示系本实施例偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为30nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm，狭缝位置偏移颗粒中心位置δ＝50nm。衬底为聚二氧化硅膜层，厚度为500nm。从图上可以发现，在滤波器所处入射光的偏振角度为φ＝0°时，在中红外频段出现了三个吸收峰。在波长为10.420微米处呈现了第一个频带的吸收型滤波效应，吸收率达到了0.446。在波长为11.849微米处呈现了第二个频带的吸收峰，吸收率为0.440。在波长为13.130微米处呈现了第三个频带的吸收峰，吸收率为0.465。通过改变偏振角度为φ＝45°时，滤波器的吸收光谱产生了明显的变化，原来的三个吸收峰变为了四个吸收峰。在原来偏振角度为φ＝0°时所呈现的三个吸收峰的光谱附近有三个吸收率被减弱的峰。偏振角度为φ＝45°时，滤波器分别为在波长为10.420微米，11.849微米和13.130微米处产生了强的光谱吸收对应的吸收率为0.233，0.223和0.236。此外16.241微米，产生了一个光谱吸收率为0.205的新吸收峰。这表明，通过调节偏振角度，结构参数，可以从光谱位置、光谱强度对此发明的基于石墨烯阵列多频带滤波器进行人为调控。