一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器的制作方法

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种用于特种光束发生装置和光学捕获领域中的阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器。

背景技术：

基于对光波振幅和相位调制的光束整形和操控技术是目前研究的热点，它提供了很多独特场分布的光束，在光学微操控和光学微捕获、显微光学和光通信等领域都发挥着重要的作用。大多数光束整形技术依赖线性光学器件，因此只能在单一波长或者固定的参数下工作，无法从外部进行调节。石墨烯，一种由单层碳原子构成的材料已经成了可调光器件的热门选择，特别是在红外和太赫兹波段。石墨烯的机械、电子以及光学性能可以通过化学掺杂和外部电压来进行调节。较宽的相位调制范围对光束整形技术至关重要。然而，介质层上的单层石墨烯太薄使得光与石墨烯的相互作用太弱，透射工作模式的器件仅通过调节石墨烯带的费米能级和宽度很难实现2π范围内的相位调制。因此基于石墨烯的特种光束发生器的报道不多。

无衍射Airy光束由于其具有横向加速度和自我恢复能力受到了广泛关注。此光束可以无衍射传输很长的距离，可以通过利用散射力对物体进行长距离引导。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种表面电磁波模式，被紧紧地限制在金属表面并且沿着金属薄膜的表面传播。石墨烯在红外和太赫兹波段展现出很强的金属特性，因此石墨烯表面等离激元也应会具有纳米级的强束缚特性和相对低的传输损耗。本发明将提供一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器，SPPs是通过衍射光栅激发的，通过光栅之间相对位置和光栅占空比分别对SPPs的相位和振幅进行调制。通过化学掺杂或者外部电压控制来调节石墨烯的费米能级，就可以得到不同频率具有相同加速度轨迹的消色散Airy光束。阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器为Airy光束的产生提供了多种选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明由二氧化硅或半导体材料作为衬底，在衬底表面刻写纳米衍射光栅阵列结构，然后在光栅表面铺单层石墨烯构成。

所述的纳米衍射光栅阵列结构在x轴方向上具有相同的光栅周期、占空比和光栅高度，在y轴方向光栅阵列的宽度是梯度变化的。

沿y轴方向光栅阵列的数量等于艾里光束的波包数，除第一个光栅阵列外，其余光栅的宽度等于相对应的Airy函数两相邻零值之间的距离。

相邻光栅阵列在x轴方向有半个表面等离激元波长的偏移量，提供交替的π相位改变。

Airy光束在石墨烯和空气界面传输，也在石墨烯和衬底界面传输，即通过在二氧化硅上刻写空气槽形成光栅阵列，石墨烯直接覆盖在二氧化硅衬底表面。

光栅周期需要满足相位匹配条件，其中m为光栅衍射级数，θ为入射角，对于垂直入射条件θ＝0，m＝1。

本发明的有益效果在于：

1、该Airy光束发生器模式束缚能力强，光束传播距离超长，在微光学粒子操纵和光学整形中具有重要意义；

2、由于石墨烯自身方便的可调谐性和材料柔性，该器件可提供动态的调节性能，易于实际操作；

3、该发生器可工作在中红外波段及太赫兹波段，而太赫兹波段的SPP波恰好处于生物的敏感波段，因此在生物传感领域具有广泛的应用潜力。

附图说明

图1是石墨烯表面Airy光束发生器的立体结构图，1是二氧化硅或者半导体材料衬底，2是石墨烯薄膜，3是光栅阵列；

图2是石墨烯表面Airy光束发生器沿x方向的剖面图；

图3(a)是不同光栅周期下的透射系数(T)、反射系数(R)和吸收系数(A)；图3(b)是单个光栅单元内的场分布(|E_x|²)；

图4是表面Airy光束和入射高斯光振幅曲线及x-y面内光栅的几何分布示意图。w表示光栅阵列脊的宽度，Λ表示光栅阵列在x方向上的周期，0.5λ_spp表示相邻阵列光栅之间有半个等离激元波波长的错位；

图5是石墨烯表面Airy光束发生器仿真效果图；

图6是传播距离(从最末端光栅开始)为1.3μm时y轴方向理想光束和模拟光束的振幅曲线图；

图7是表面Airy光束主波包的轨迹图；

图8是消色散Airy等离激元波入射光频率和费米能级之间的关系图，标记点对应两个参考值，三角点：,30THz，圆点：,34.88THz；

图9是在0.48eV和30THz条件下，石墨烯表面电场分布图；

图10是图1石墨烯表面Airy光束发生器的互补结构，1是二氧化硅或者半导体材料衬底，2是石墨烯薄膜，3是介质表面空气槽；

图11是石墨烯表面Airy光束发生器互补结构沿x方向的剖面图；

图12是石墨烯表面Airy光束发生器互补结构石墨烯表面电场分布图，入射光频率为34.88THz，石墨烯费米能级0.65eV。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

该器件由二氧化硅或半导体材料作为衬底，利用光学微加工技术在衬底表面刻写纳米衍射光栅阵列结构，然后在光栅表面铺单层石墨烯构成。其工作原理是基于光衍射效应，利用纳米光栅阵列激发沿x轴方向的表面等离激元波，利用y方向梯度宽度光栅阵列产生Airy包络及相应的相位。通过化学掺杂或者外部电压来调节费米能级，使得不同入射光可以产生具有相同的加速度轨迹的Airy光束，故该发生器具有消色散的能力。该发生器可工作在中红外波段及太赫兹波段。

一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器，由单层石墨烯薄膜直接覆盖在二氧化硅衬底的光栅阵列上。单层石墨烯放置于光栅阵列之上；光栅占空比为固定值，x轴方向上具有相同的光栅周期；光栅阵列高度相同；光栅阵列在y轴方向上的宽度不同且呈梯度增加。为激发石墨烯表面的等离激元波，需要克服石墨烯等离激元波和入射光之间较大的波矢差。光栅周期需要满足相位匹配条件，其中m为光栅衍射级数，θ为入射角。对于垂直入射条件(θ＝0)m＝1，光栅周期由公式计算。激发的表面等离激元波在介于石墨烯和空气之间的平面内沿x轴传播，通过光栅在y轴方向宽度的梯度来实现对Airy光束波包的调制，y轴方向上的光栅阵列数量等于Airy光束的波包数量。除主波包以外的波包宽度外，光栅在y轴方向上的宽度等于相应Airy光束波包相邻两个振幅为0点的距离。通过使x轴方向上相邻光栅有一个半个表面等离激元波长的错位来实现相邻Airy光束波包间π的相位变换。石墨烯的费米能级可以通过电压控制和化学掺杂进行外部调制。通过调节费能级使得E_f/ω₀²＝0.65eV/(34.88THz)²的值固定，不同频率的入射光激发的表面等离激元波和优化的光栅周期将不会改变。因此，当不同频率的光入射时，激发的表面等离激元波可形成相同轨迹的Airy光束，故该光束发生器具有消色散的功能。

本发明还可以包括：所述阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器可以工作在可见光及近红外光波段。所述阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器，其产生的Airy光束可以在石墨烯和空气之间传播，也可以在石墨烯和衬底之间传播。

实施例1：

石墨烯表面Airy光束发生器(图1-7)，图1-2中的1是二氧化硅或者半导体衬底，2是石墨烯薄膜，3是光栅阵列。二氧化硅光栅阵列高度h₀为100nm，石墨烯层厚度0.7nm，二氧化硅在中红外波段的介电常数ε为3.9，x方向偏振的高斯光从石墨烯上垂直入射至光栅区域，入射光频率为34.88THz，石墨烯费米能级为0.65eV。当光栅周期从0.25逐渐增大到0.35时透射系数(T)、反射系数(R)和吸收系数(A)的函数曲线见图3(a)。当光栅周期约为290nm时石墨烯等离激元波的最大吸收系数可达到33％。在最大激发效率下，x-z平面内单个光栅单元的电场能量分布(|E_x|²)见图3(b)，该图显示了具有局域增强放大的石墨烯表面等离激元波场。波矢沿x轴方向的表面等离激元波在z方向的传播衰减长度约为15.5nm。

由公式得到石墨烯空气界面间产生的等离激元波波长为562nm，则相邻光栅阵列间的间距选为280nm。光栅阵列周期285nm，预想的Airy光束主波包的半宽为600nm，二氧化硅光栅有6个周期和10个阵列。具体结构如图4，石墨烯表面电场分布(|E_x|²)见图5。可以看出表面等离激元波沿着x方向传播并在y方向具有加速度。所激发的表面等离激元波同时具有曲线轨迹和非衍射的特性。传播距离(从最末端光栅开始)为1.3μm时y轴方向理想光束和模拟光束的振幅曲线见图6，主波包的半宽(FWHM)为1200nm。表面Airy光束主波包的轨迹见图7，红色菱形标记为有限元(FEM)模拟值，蓝色曲线是理想理论计算值。从上述计算结果看，设计的结构可实现Airy光束的产生。

根据公式可知，如果E_f/ω₀²＝0.65eV/(34.88THz)²的值固定，优化的光栅周期和受激等离激元波将保持不变，满足这一关系的费米能级和入射光频率如图8所示，二氧化硅的色散在考虑的波长范围内忽略不计。通过电压控制和化学掺杂调节石墨烯费米能级，当不同频率的入射光入射时，可产生具有相同加速轨迹的Airy光束。为了验证消色散的特性，在图8中的曲线上取一点(0.48eV，30THz)，所得到的石墨烯表面计算场分布结果如图9所示。场的分布几乎与图5完全一致，仅仅受激效率稍有不同。即证明了Airy光束发生器的具有超宽带消色散特性。

实施例2：

如图10-12示，与实施例1不同的是，图10-11是石墨烯表面Airy光束发生器的互补结构，产生的Airy光束在石墨烯和衬底之间的界面传播。在相同入射光频率34.88THz下，石墨烯介质界面间产生的等离激元波波长仅为230nm，Airy光束主波包的半宽为350nm，石墨烯表面电场分布如图所示12。光栅阵列周期275nm，占空比为0.3。主瓣在离光栅末端8.5μm处向y方向偏转0.7μm，在距光栅末端1μm的传输距离处，主波包的半宽为780nm。类似的，该结构也可实现消色散特性。

本发明提供了一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器，该器件由二氧化硅或半导体材料作为衬底，利用光学微加工技术在衬底表面刻写表面衍射光栅阵列结构，然后在光栅表面铺单层石墨烯构成。该器件利用光栅激发石墨烯和介质界面的表面等离激元波，通过光栅之间的相对位置和光栅晶格的占空比分别对表面等离激元波的相位和振幅进行调制。通过化学掺杂或者外部电压控制来调节石墨烯的费米能级，就可以得到不同频率具有相同加速度轨迹的消色散Airy光束。与目前通用的Airy光束产生装置相比，它具有更好的可调节性，该器件在平面光子集成和表面光学操作中具有重要应用。