产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射方法及装置与流程

本发明涉及集成光学领域，具体涉及一种产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射方法及装置。

背景技术：

中红外波段是指的波长范围为3～30微米的红外波段，它包含了两个重要的大气传输窗口，并且大部分的分子在这个波段有指纹吸收。中红外波段因自身的特殊性质，使得中红外技术在遥感、片上传感、自由空间光通信和红外光谱检测等方面有着重要的应用。

近年来，由于对光通信容量的要求不断提升，开发中红外波段的光电子互联通信器件也成为光通信研究的热点。等离子激元是光子诱发导体中电子的集体震荡而形成的一种表面传输的电磁波，其优点是可以在亚波长尺度内对光波实现调控。当带电粒子的速度大于光波在介质中传输的相速度时，将会产生锥形波前的电磁辐射(即切伦科夫辐射)。

但是，由于现有的切伦科夫辐射由带电粒子和介质为玻璃产生的等离子激元形成，因此若要形成切伦科夫辐射，需要将带电粒子的速度控制在光速以上，这对带电粒子的速度要求非常高，是非常难以实现。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在显著降低对带电粒子速度的要求的基础上，实现中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射。

为达到以上目的，本发明提供的产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射方法，包括以下步骤：将经过加速的带电粒子平行于石墨烯层运动，带电粒子在运动过程中激发石墨烯层表面的中红外等离子激元进行传播；定义中红外等离子激元的传输波矢的垂直方向，与带电粒子的传输方向的夹角为θ，根据需要的θ计算带电粒子的速度ve，计算公式为：sinθ＝vspp/ve，vspp为中红外等离子激元的相速度，根据计算得到的带电粒子的速度对应调节带电粒子的加速度。

在上述技术方案的基础上，所述石墨烯层的制作方法为：

s1：在铜膜衬底上铺设石墨烯样品层，转到s2；

s2：将石墨烯样品层上面涂覆一层pmma层后，放入腐蚀溶液中浸泡，直至铜膜衬底会完全溶解；铜膜衬底完全溶解后，石墨烯样品层形成石墨烯薄膜，转到s3；

s3：将覆盖有pmma层放入蒸馏水中漂洗，直至石墨烯薄膜上的腐蚀残留物清理干净，转到s4；

s4：将石墨烯薄膜铺在石墨烯样品的刻蚀图案区域，通过丙酮溶液和异丙醇中将石墨烯薄膜上的pmma层去除后，形成石墨烯层。

本发明提供的实现上述方法的产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射装置，包括粒子加速器，还包括从下至上依次设置的导电衬底层、绝缘介质层、石墨烯层和接地的第一电极，导电衬底层上设置有第二电极；经粒子加速器加速后的带电粒子的运动方向，与石墨烯层的上表面平行。

在上述技术方案的基础上，所述导电衬底层选用掺杂硅片。

在上述技术方案的基础上，所述掺杂硅片的电阻为1～10ω·cm。

在上述技术方案的基础上，所述绝缘介质层选用厚度为10～40nm的二氧化硅。

在上述技术方案的基础上，所述二氧化硅采用等离子体增强化学气相沉积法或热氧化法蒸镀而成。

在上述技术方案的基础上，所述第一电极包括厚度为3～10nm的钛、以及位于钛上面的厚度为80～120nm的金。

在上述技术方案的基础上，所述钛的厚度为5nm，所述金的厚度为100nm。

在上述技术方案的基础上，所述第一电极为石墨烯层经过电子束曝光后蒸镀而成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

与现有技术中采用玻璃为介质相比，本发明通过带电粒子配合石墨烯产生中红外等离子激元，以此在显著降低对带电粒子速度的要求的基础上，实现中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射，等离子激元自身的特性决定其形成的切伦科夫辐射为纳米尺度。对于片上超宽带光源，集成光子回路，中红外光谱检测等领域有非常重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中的切伦科夫辐射图案；

图2为本发明实施例中带电粒子速度为0.1c，0.4c，和0.6c时的辐射光谱；

图3为本发明实施例中的产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射装置的结构示意图。

图中：1-粒子加速器，2-带电粒子，3-石墨烯层，4-绝缘介质层，5-导电衬底层，6-第一电极，7-第二电极。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中的产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射方法，包括以下步骤：

参见图1所示，将经过加速的带电粒子2平行于石墨烯层3运动，带电粒子2在运动过程中激发石墨烯层3表面的中红外等离子激元进行传播。定义中红外等离子激元的传输波矢的垂直方向，与带电粒子2的传输方向的夹角为θ(即切伦科夫辐射角度)，根据需要的θ计算带电粒子2的速度ve，计算公式为：sinθ＝vspp/ve，vspp为中红外等离子激元的相速度，根据计算得到的带电粒子2的速度对应调节带电粒子2的加速度，以此实现通过改变带电粒子2的移动速度来调控切伦科夫辐射角度。

由此可知，与现有技术中采用玻璃为介质相比，本发明采用石墨烯与带电粒子2配合形成切伦科夫辐射；参见图2可知，当带电粒子2速度为0.1c、0.4c和0.6c时(c为光在真空中的速度)，切伦科夫辐射光谱越来越宽，即带电粒子2的速度与切伦科夫辐射光谱的宽度成正比。因此与现有技术中对带电粒子2的速度要求超过光速相比，本发明能够在显著降低对带电粒子2速度的要求的基础上，实现中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射。

与此同时，切伦科夫辐射光谱的峰值波长能够根据带电粒子2的速度、以及石墨烯层3的费米能级位置两个参数所决定的，石墨烯层3的费米能级位置可通过施加在石墨烯层3衬底的电极上的电压决定。

优选的，石墨烯层3的制作方法为：

s1：采用cvd(chemicalvapordeposition，商用的化学气相沉积法)在铜膜衬底上铺设石墨烯样品层，转到s2；

s2：将石墨烯样品层上面均匀旋涂一层pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)层后，放入腐蚀溶液(氯化铁溶液)中浸泡12小时，浸泡过程中铜膜衬底会完全溶解掉，此时石墨烯样品层形成石墨烯薄膜，转到s3；

s3：将悬浮在腐蚀溶液表面覆盖有pmma层的石墨烯薄膜捞起后，放入蒸馏水中多次漂洗直至石墨烯薄膜上的腐蚀残留物清理干净为止，转到s4；

s4：将刻蚀图案后的石墨烯样品插入石墨烯薄膜下面，并小心舀起，让石墨烯薄膜均匀无折叠的铺在石墨烯样品的图案区域；待石墨烯样品和石墨烯薄膜干燥后，通过丙酮溶液和异丙醇中将石墨烯薄膜上的pmma层去除，即为石墨烯层3。

由此可知，本发明实施例充分公开了制备石墨烯层3的方法，便于公众制造和使用。

参见图3所示，本发明实施例中实现上述方法的产生中红外可调谐等离子激元的切伦科夫辐射装置，包括粒子加速器1、以及从下至上依次设置的1层导电衬底层5、1层绝缘介质层4(用于向导电衬底层5施加背向电压，即背电极)、1层石墨烯层3和1个接地的第一电极6，导电衬底层5上设置有第二电极7；经粒子加速器1加速后的带电粒子2的运动方向，与石墨烯层3的上表面平行。

优选的，导电衬底层5选用半导体工艺常用的掺杂硅片。

优选的，掺杂硅片的电阻为1～10ω·cm，本实施例中为5ω·cm。

优选的，绝缘介质层4选用厚度为10～40nm(本实施例中为30nm)的二氧化硅。

优选的，二氧化硅采用等离子体增强化学气相沉积法或热氧化法缓慢蒸镀而成。

优选的，第一电极6包括厚度为3～10nm的钛、以及位于钛上面的厚度为80～120nm的金。

本实施例中钛的厚度为5nm，金的厚度为100nm。

优选的，第一电极6为石墨烯层3经过电子束曝光后蒸镀而成。

进一步，本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。