一种用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片及其制备方法

1.本技术涉及用于控制光的强度、相位、偏振或方向的器件或装置，上述器件或装置的光学操作是通过改变器件或装置的介质的光学性质来修改的；更具体的本技术公开了一种用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片及其制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波阵面的动态控制在太赫兹传感、太赫兹成像、太赫兹无线通信等技术中起着至关重要的作用，近年来受到广泛关注。不幸的是，由于传统太赫兹器件通常体积庞大，功能有限，在使器件主动可调时所增加的复杂程度高而阻碍了太赫兹通信和其他许多应用的进一步发展。其根本原因是天然材料与太赫兹波之间的微弱相互作用。因此，探索高性能波前控制设备的新途径是太赫兹通信的当务之急。
3.太赫兹(thz)波前的动态控制对于许多应用都是至关重要的，但现有的机制需要亚微米级的可调谐元件，而这些元件在thz范围内很难找到，如果使用亚微米级的可调元件实现太赫兹波波前动态控制，那么需要的元件数量庞大，损耗变大，成本高昂。
4.近年来，超表面技术的快速发展为实现电磁波的动态波前控制提供了新的机遇。超表面是由亚波长的平面微结构(人工原子)构成的超薄超材料，表现出按一定的全局序列排列的定制电磁响应。许多有趣的波操纵效应都是基于超表面的，如异常反射/折射、偏振操纵、光子自旋霍尔效应和超表面全息图。此外，将有源元件(例如pin二极管和变容二极管)集成到超表面设计中，可以实现“可调谐”超表面器件，能够动态控制由超表面器件反射或通过超表面器件传输的电磁波的波阵面，并插入单独偏置的有源元件。在微波领域，许多可调谐超表面器件已经成功构建，具有波操纵功能，从波束转向，可编程全息图，到动态成像。然而，这种有源超表面器件很难在频率高于太赫兹的情况下实现，因为在寻找集成到太赫兹人工原子中的深亚波长有源元素方面存在挑战，而且单独调谐这些人工原子的难度显著增加。相反，在太赫兹范围内实现的大多数可调超表面器件通常都将“活动”层(如石墨烯、半导体层)作为一个整体来控制。因此，这些超表面器件通常只能以一种统一的方式控制电磁波，例如振幅控制或偏振控制，但由于在深亚波长尺度上调制电磁响应的不足，无法动态地控制电磁波阵面。


技术实现要素：

5.名词解释
6.太赫兹：又表示为thz
7.太赫兹波波前：是指0.4-0.44thz。
8.l：聚焦透镜。
9.lp：偏振器。
10.bs：偏振不敏感分束器
11.lcp：左圆偏振
12.rcp：右圆偏振
13.transmitter：太赫兹天线
14.ff：远场太赫兹波，所谓远场还是近场是相对于mim结构表面远近而言的，远离mim结构表面的称之为远场。
15.nf：近场太赫兹波，接近mim结构表面的称之为近场。
16.cmt：耦合模理论
17.au：金属元素金。
18.石墨烯玻片:本技术所述石墨烯玻片是指用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片。
19.基于本技术原理设计的以及由在制备工艺产生的误差范围内的产品均属于本技术所要求保护的范围。
20.本技术第一方面设计并描述了一个用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片(一个动态的人工原子的光学特性)，它可以用于构造太赫兹范围内的动态可调超表面器件。我们设计的用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片(人工原子)是一种金属/绝缘体/金属(mim)结构，共有五层，依次为凝胶离子液体层-石墨烯层-au薄膜层-二氧化硅层-金属矩形贴片背板。
21.优选的，凝胶离子液体层的厚度为18-22μm，更优选的层厚为20μm。
22.优选的，石墨烯层为单层石墨烯。
23.优选的au薄膜层厚度为58-62nm，更优选的层厚为60nm。
24.优选的，二氧化硅层厚45-55μm，更优选的层厚为47μm。
25.mim结构的石墨烯玻片中从凝胶离子液体层-石墨烯层-au薄膜层-二氧化硅层任意一层层厚增加都会导致损耗变大。
26.优选的，金属矩形贴片采用金或铜，金属矩形贴片大小为长(145μm-155μm)
×
宽(45μm-55μm)，并且周期为198μm-202μm；更优选的长150μm
×
宽50μm，并且周期为200μm。周期超过此范围，频率会往低频改变，并且损耗变大，需要重新优化结构。
27.通过采用上述技术方案，可实现控制光的强度、相位、偏振或方向，从而实现动态控制太赫兹波波前。
28.另一方面本技术提供了一种制备可动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片的方法，该制造方法包括如下步骤：
29.将金元素au薄膜蒸发到45μm-50μm厚的sio2衬底上，形成厚度为58-62nm的au薄膜，该au薄膜作为入射太赫兹波的完美反射面。然后将一层石墨烯转移到au薄膜表面上，随后再将一层凝胶离子液体覆盖石墨烯层，凝胶离子液体层厚18-22μm。
30.在sio2的另一面使用标准光学光刻技术制造一组金属矩形贴片，金属矩形贴片大小为长(145μm-155μm)
×
宽(45μm-55μm)，并且周期为198μm-202μm。
31.此外本技术还提供了一种可调谐光束偏转器，如说明书附图3(a)所示，所述可调谐光束偏转器包括太赫兹天线、l1、bs、l2、石墨烯玻片、lp、l3以及接收器，其中太赫兹天线、l1、bs、l2以及石墨烯玻片的中心的中心均处于第一直线上且依序排列，lp、l3以及接收器的中心处于沿着第二直线上且依序排列，第一直线和第二直线的交叉点为bs的中心，第
一直线和第二直线在bs处形成的夹角大于0
°
小于180
°
，bs与第一直线和第二直线的夹角皆为锐角；太赫兹天线发射出的太赫兹波穿过聚焦透镜l1，穿过l1的太赫兹波部分被bs反射掉，其余部分穿过l2照射到石墨烯玻片上反射回来的部分再次经bs反射依次穿过lp和l3后被接收器接收。
32.优选的所述可调谐光束偏转器包括的器件沿着两条垂直的直线排列，即a1为直角。其中太赫兹天线、l1、bs、l2以及石墨烯玻片的中心位于第一直线上且依序排列，lp、l3以及接收器的中心位于第二直线上且依序排列，两条直线的交叉点为bs的中心；bs与两条直线的夹角皆为45
°
。太赫兹天线发射出的太赫兹波穿过聚焦透镜l1，穿过l1的太赫兹波50％被bs反射掉，另50％穿过l2照射到石墨烯玻片上反射回来，反射回来的50％再次经bs反射依次穿过lp和l3后被接收器接收。
33.通过采用上述优选技术方案，便于接收器位置的确定。两条直线的夹角在大于0
°
小于180度的范围内的大小以及bs与两条直线夹角的大小并不影响可调谐石墨烯玻片功能的实现，只影响接收器位置的固定。
34.通过以上技术方案可实现控制光的强度、相位、偏振或方向，从而实现动态控制太赫兹波波前。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
36.1、石墨烯玻片结构简单，容易制作。
37.2、用本技术石墨烯玻片制造动态可调超表面器件时，不需要亚米甚至微亚米结构的有源元件相匹配。
38.3、集合有本技术石墨烯玻片的动态可调超表面器件可实现动态控制太赫兹波波前。
附图说明
39.图1石墨烯玻片结构示意图。
40.图2石墨烯玻片工作原理图
41.图3石墨烯可调玻片的设计与实验表征
42.附图标记：图1中1-5依次为石墨烯玻片的五层，从1-5依次为：
43.1-凝胶离子液体层，2-为石墨烯层，3-为au薄膜层，4-为二氧化硅层，
44.5-金属矩形贴片背板。
具体实施方式
45.下面将结合本技术附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，实施例仅是本技术技术方案的代表，而不是全部技术方案。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。
46.材料来源：本技术中除特殊说明之外，各实验材料均为市售产品。
47.实施例1用于动态控制太赫兹波波前的可调谐石墨烯玻片的制备
48.将金元素au薄膜蒸发到45μm-50μm厚的sio2衬底上，形成厚度为58-62nm的au薄膜，该au薄膜作为入射太赫兹波的完美反射面。然后将一层石墨烯转移到au薄膜表面上，随
后再将一层凝胶离子液体覆盖石墨烯层，凝胶离子液体层厚18-22μm。
49.在sio2的另一面使用标准光学光刻技术制造一组金属矩形贴片，金属矩形贴片，金属是指金或铜，矩形贴片大小为长(145μm-155μm)
×
宽(45μm-55μm)，并且周期为198μm-202μm。
50.石墨烯玻片是由一系列相同的人工原子(石墨烯玻片的单元结构)与顶部的电门控石墨烯表现出不同的方向角构成的。通过改变外部刺激vext，所有人工原子的电磁响应可以以相同的方式调谐，并将ff散射模式从一种模式(异常模式)转换为另一种模式(正常模式)。另外，当两束ff散射模式重叠时，两束ff散射模式之间的干涉(即混合模式)可以通过改变门控电压来控制产生新的反射波前。
51.图2示意地说明了所提出的超表面设备，即石墨烯玻片，在圆偏振光照射下，它可以在全局调谐时产生动态可调的波前。这种在顶部放上一层电门控石墨烯的超表面器件是由一系列相同的反射型人工原子构成的，它们显示出由预先设计的函数描述的方向角α(r)(见图一)。构造的人工原子应该表现出一个反射琼斯矩阵其中表示他们的主轴，这些人工原子位于处旋转了α(r)角度。均匀控制石墨烯，r
uu
和r
vv
必须根据门控电压v
ext
变化，这就使得局域琼斯矩阵j也根据v
ext
发生变化。然后，在实验室坐标系中，用圆偏振(cp)基表示的整个元器件的琼斯矩阵分布为式(1)：中，用圆偏振(cp)基表示的整个元器件的琼斯矩阵分布为式(1)：其中表示连接线极化(lp)基与cp基的变换矩阵，是位于位置r的超原子的旋转矩阵。
52.我们发现，本技术发明人设计的石墨烯玻片可以产生门控太赫兹波波前，如式(1)显示其琼斯矩阵分布随v
ext
变化。假设入射光束是圆偏振的并将超表面设备的放置在z＝0平面，其中分别表示入射左圆偏振(lcp)和右圆偏振(rcp)。然后在z＝0平面的反射波为这已经表明，反射波阵面可以由v
ext
控制。以lcp入射为具体例子，直接计算表明，在z＝0处的反射波的电场分布为式(2)：其中其中分别表示反射模态的lcp和rcp，φ
pb
(r)＝2α(r)表示pb相位，并且式(3)是pb相位调制的自旋转换异常模的膨胀系数，(下标a/n分别表示异常/正常模式)，并且自旋维持的正常模式没有φ
pb
的调制。最有趣的是，虽然两种模式的场模式不会改变，但这两束光(即aa和an)的系数都敏感地依赖于外部门控电压v
ext
。我们注意到式(2)只表示了反射光束在z＝0平面，在离石墨烯玻片不太远的波前平面(即在近场nf区域)，电场分布不会太偏离式(2)。然而，在ff(远场)区域，我们需要使用傅
里叶变换技术来获得最终ff散射图。
53.由式(2-3)可知，通过改变门控电压v
ext
，可以对反射光束的波前进行动态调制。我们将讨论以下两个不同的场景。在第一种情况下，ff区域的正模和异常模在空间上被很好地分开，门控石墨烯可以改变呈现不同波前的两种模的强度(|aa|2和|an|2)，从而极大地调制整个器件的反射特性。在第二种情况下，即使在ff区域，两束光束在空间上也相互重叠，两束扩展系数依赖于v
ext
的光束之间的干涉，产生新的反射波前(一种混合模式，见图2)，可以通过改变门控电压进行连续调制。
54.应用例可调谐光束偏转器
55.可调谐光束偏转器包括太赫兹天线、l1、bs、l2、石墨烯玻片、lp、l3以及接收器，其中太赫兹天线、l1、bs、l2以及石墨烯玻片的中心位于第一直线上且依序排列，lp、l3以及接收器的中心位于第二直线上且依序排列，第一直线和第二直线的交叉点为bs的中心，第一直线和第二直线在bs处形成的夹角大于0
°
小于180
°
，bs与第一直线和第二直线的夹角皆为锐角；太赫兹天线发射出的太赫兹波穿过聚焦透镜l1，穿过l1的太赫兹波部分被bs反射掉，其余部分穿过l2照射到石墨烯玻片上反射回来，部分再次经bs反射依次穿过lp和l3后被接收器接收。
56.本技术发明人为方便说明本技术石墨烯玻片可实现动态控制太赫兹波波前而设计了可调谐光束偏转器，从而进一步说明本技术石墨烯玻片的工作原理。其中最方便固定接收器位置的技术方案为第一直线与第二直线彼此垂直，bs两条直线的夹角为45
°
；两条直线的夹角在大于0
°
小于180
°
的范围内的大小以及bs与两条直线所成的夹角并不影响可调谐石墨烯玻片功能的实现，只影响接收器位置的固定。
57.门控石墨烯玻片的设计与实验表征如图3所示。(a)实验设置。来自太赫兹天线(transmitter)的光用两个透镜(l1，l2，焦距5cm)聚焦到样品上，在l1和l2之间插入一个偏振不敏感分束器(bs)。通过线性偏振器(lp)可以将太赫兹天线的极化转变为水平/垂直极化。(b)在不同的栅门电压下，异常模态|aa|2和正常模态|an|2的测量强度随频率变化而变化。(c)测量和检索关系，(d)测量和检索强度|aa|2和|an|2随栅极电压的函数变化，工作频率固定为0.38thz。(e)当γ1＝0.12f1时，η的相位图变化为种的函数。(f)η的三维相图随和γ1的函数变化，其中(e)和(f)中用实线连接的黑圆符号表示不同的门电压，驱动mim结构的石墨烯玻片(人工原子)由异常模主导向正常模主导转变。
58.为进一步描述具有mim结构的石墨烯玻片的动态光学特性，以及基于石墨烯玻片的这一特性用于构造太赫兹范围内的动态可调超表面器件，在此以图3所示的可调谐光束偏转器为例：
59.将金元素au薄膜蒸发到sio2衬底上，形成au薄膜，该au薄膜作为入射太赫兹波的完美反射面；然后将一层石墨烯转移到au薄膜表面上，随后再将一层凝胶离子液体覆盖石墨烯层；在sio2的另一面使用标准光学光刻技术制造一组金属矩形贴片。栅极偏置应用于石墨烯层和顶部栅极之间，用于调节石墨烯的电阻，进而调节结构的损耗。在这里，石墨烯的峰值电阻出现在电压(即中性狄拉克点)，当石墨烯转移到超表面时，其峰值电阻为≈3.7v。
60.在我们的实验中，用正常入射的太赫兹光束沿两个主轴线偏振照射样品，我们测量了两个反射系数r
uu
和r
vv
的光谱，然后得到aa和an两种模式的强度。我们注意到v
ext
＝v
d-vg决定了石墨烯的掺杂水平，因此，我们在图3(b)中绘制针对不同v
ext
的aa和an。我们发现，改变v
ext
一般可以放大|an|2，同时抑制|aa|2。将工作频率设为0.38thz，我们注意到，在v
ext
＝0时，|aa|2远远大于|an|2，但随着v
ext
的增加，这种趋势逐渐逆转。实验结果与fdtd模拟结果非常吻合。这种交叉可以在图3(d)中更清楚地看到，其中|aa|2和|an|2描述为v
ext
的函数，我们发现|aa|2＝|an|2在v
ext
＝2.6v。
61.为了理解实验结果背后的物理原理，我们采用了cmt模型来分析这种可调谐人工原子的电磁特性。该结构的au膜屏蔽了通过系统的所有传输，因此我们只需要关心反射端口。因此，我们可以用一个双模单端口cmt模型来描述结构。通过标准cmt分析，我们发现两个正交方向的反射系数由式(4)其中c1(c2)表示为背景电磁响应，f1(f2)为共振频率，γ1(γ2)和是由辐射和吸收引起的衰变率，分别为沿轴极化的电场。我们注意到不同的cmt参数是由不同性质的谐振器决定的。而f1(f2)和γ1(γ2)主要由谐振器的几何参数决定，然而是由整个结构的欧姆损失决定的，当然与栅电压应用于石墨烯层是密切相关的。因此，改变v
ext
可以通过改变两个吸收损耗参数和显著改变式(4)中定义的两个反射系数。通过仔细确定6个拟合参数，cmt模型[式(4)]可以很好地描述所有的实验和数值结果[图3(b)]以dirac点(v
ext
＝0v)为起始点，f1＝0.34，f2＝0.56，γ1＝0.04，γ1＝0.14，均以thz为单位。根据上述拟合参数，由式(4)计算得到的反射谱，与仿真结果和实验结果吻合较好。我们注意到，即使在狄拉克点(v
ext
＝0v)，和也是非零的，因为欧姆损失可以由金，离子凝胶和间隔物提供。利用cmt公式拟合不同栅极电压下v
ext
的反射谱，我们发现v
ext
只调整了和两个参数，而其他cmt参数均保持不变。这是相当合理的，因为在门控下的石墨烯只是作为可调损失，正如z.miao等人在《widely tunable terahertz phase modulation with gate-controlled graphene metasurface》(《widely tunable terahertz phase modulation with gate-controlled graphene metasurface》，z.miao，q.wu，x.li，q.he，k.ding，z.an，y.zhang，and l.zhou，phys.rev.x 5(4)，041027(2015))中所描述的那样。我们将cmt光谱与fdtd光谱拟合得到γa～v
ext
关系[见图3(c)]。显然，γa是v
ext
的递增函数，增加v
ext
可以降低石墨烯的电阻，从而提高谐振腔的吸收衰减率。将检索到的γa～v
ext
代入式(3)和式(4)，cmt计算得到的a
a/n
～v
ext
曲线，与实验结果和数值结果非常吻合[见图3(d)]。
[0062]
定义η＝[|aa|
2-|an|2]/[|aa|2+|an|2]来定量描述人工原子(mim结构的石墨烯玻
片)的反射性质，我们画相图在图3(e)描绘η的价值如何变化在平面，与辐射损失设置为γ1＝0.12f1。在相平面上，我们总可以找到一条η＝0[图3(e)中的虚线]的边界线，将整个相空间划分为两个电磁响应明显的区域，即异常模态主导区(η＞0)和正模态主导区(η＜0)。有趣的是，随着辐射损失的变化，这些边界线形成了一个曲面[见图3(f)]。我们接下来在两个相图中描述η的轨迹为变化的v
ext
[见图3(e，f)中的符号]。显然，增大v
ext
总能驱动人工原子穿过相边界线，从异常模态向正常模态运动[见图3(e)和图3(f)]。
[0063]
基本的物理原理最终与吸收损失和辐射损失之间的竞争有关。根据式(4)中的cmt模型，我们发现偏振的谐振模式为f1＝0.34thz，而另一偏振的谐振模式为f2＝0.57thz。因此，附近的工作频率0.38太赫兹也非常接近f1，而极化由磁共振决定在v
ext
＝0零相位，反射相位极化是近π有关共振方法模拟场分布。同时，另一个偏振的反射相位基本上不受掺杂的影响，因为该偏振的工作频率远离谐振频率。简单地说，门控石墨烯可以极大地改变一个极化的反射特性(尤其是相位)，但对另一个极化的反射特性影响很小，最终导致|aa|2的增强和|an|2的减少，进而动态改变人工原子的功能，实现太赫兹波波前的动态调控。