一种波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件

1.本发明涉及光学表面波领域。本发明具体涉及一种实现波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件。


背景技术：

2.光子晶体表面波传感技术是一种基于介质与介质表面的光表面波的高灵敏度光学传感检测方法。由于其是基于折射率变化的检测获得传感信息，因而是一种新型免标记的动力学研究手段。上个世纪70年代yeh等在理论上证明了截断的光子晶体平面可以支持表面电磁波的传输。基于布洛赫(bloch)理论，周期性的介质交替层组成的光子晶体中存在光子带隙(photonic band-gap，pbg)，又称禁带。由于光子带隙存在，在此频率带隙内，光波的波矢没有实部，这意味着光波无法以波动形式传播，而是以电磁场指数衰减的倏逝波形式存在。为了激发这一模式，可以通过在光子晶体结构表面末端引入一层介电材料，从而在光子晶体表面激发表面波。这种在光子带隙结构末端的表面存在并沿界面方向传输的表面波称为光子晶体表面波，由于其深刻的物理内涵及其潜在的应用可能激起了广泛的研究兴趣。20年后，roberson等在实验上成功激发了光子晶体表面波。自此，国内外不少学者都对光子晶体表面波产生了浓厚的兴趣，有关该技术的研究型文章成指数增长。光子晶体表面波对于研究界面或表面处光与物质相互作用的物理机理及相关光学技术研发具有重要的应用价值，为包括传感和集成光子器件等领域的科学研究提供了一种重要的研究手段。
3.光子晶体表面波与存在于金属与介质表面的表面等离子波(surface plasmon wave，spw)有诸多的相似之处，两者均被约束在两种物质交界面处，引起交界面处的场增强，并以指数衰减形式分别穿透入两种物质，随着对基于表面等离子波的表面等离子共振(surface plasmon resonance，spr)技术研究的深入，近几年来对光子晶体表面波的研究引起越来越多关注。与只能通过p偏振激发的表面等离子波相比，光子晶体表面波可通过适当设计光子晶体的材料和结构，在任何波长、以任意偏振态激发；另一方面，因为结构中没有金属的存在，光子晶体表面波的损耗比表面等离子波要小得多；此外，由于介质结构的场约束能力不如金属强，因而光子晶体表面波的穿透深度可以较表面等离子波更大。通过比较，我们看到，光子晶体表面波的激发依赖于光子晶体结构的设计，几乎没有波长和偏振的限制，且其损耗要较表面等离子波小得多，穿透深度大得多，通过表面修饰三维立体长链结构，可能提供更多的分子结合位点，实现更大的分子吸附量，因而在诸如生化分子检测、光子器件设计等方面有望实现性能更加优越的设计。
4.在以往光子晶体表面波传感检测的研究中，大多通过在截断的一维光子晶体表面测量反射光强和耦合吸收峰的移动进行检测。本发明提出的结构通过在器件表面引入特定的超表面微纳结构来控制光场的传输和空间分布，实现对局域于器件表面光场的振幅、相位、频率等物理量的调制，从而实现波长可调控的光子晶体表面波光学系统。


技术实现要素：

5.因此，本发明的任务是针对现有光子晶体表面波器件结构实现空间光场调控较困难的问题提供一种波长可调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件。
6.本发明提供的一种波长可调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件，其包括包覆层、石墨烯超表面以及多层膜结构元件。
7.其中，石墨烯超表面可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。
8.其中，所述多层膜结构元件可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。
9.所述器件中石墨烯超表面由石墨烯微纳结构阵列构成。
10.所述器件中石墨烯层、多层膜结构元件的作用是可通过调节包覆层或其中某层结构的物理性质，进而在石墨烯表面激发光子晶体表面波。
11.所述器件作用是通过以特定角度输入光入射到石墨烯超表面激发光子晶体表面波，进而石墨烯超表面对于入射光束中的偏振分量产生不同的振幅、相位和频率响应，使经过该器件的反射光束中的偏振分量所对应的空间光场分布相对入射光束的空间光场分布在部分空间区域上发生变化，以获得波长可调控的光子晶体表面波效应。对于入射光束的工作波长，该光子晶体表面波光学器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，角度区间是指该结构在与石墨烯层相邻的包覆层和石墨烯超表面的交界面处具有相位变化的角度范围，α为该角度区间下限，β为该角度区间上限。该结构在与石墨烯层相邻的包覆层和石墨烯超表面的交界面处发生全反射的全反射临界为γ，γ＜β。
[0012]
所述器件可通过改变包覆层材料实现对包覆层折射率的控制；也可以利用热光效应、磁光效应、声光效应、电光效应、光克尔效应或弹光效应等，通过改变温度、磁场、声波场、电场、光强或应力等的大小，对包覆层、石墨烯超表面以及多层膜结构元件中各层的折射率或厚度进行控制，从而实现波长调控效应。
[0013]
在一个实例中，所述器件中多层膜结构元件可以由两种或以上具有不同折射率的全介质材料层交替层叠形成；也可以由透明电介质、金属、吸收材料、左手人工材料等中的一种或多种组成。
[0014]
在一个更优选实例中，多层膜结构元件依次包括透明电介质基底、多层介质材料层，其中多层介质材料层由两种或两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。
[0015]
在一个实例中，所述高折射率介质层的材料折射率高于低折射率介质以及包覆层的材料折射率。
[0016]
在一个实例中，低折射率介质和包覆层的材料可为相同材料或不同材料。
[0017]
在一个实例中，低折射率介质和包覆层的材料折射率的最大值与所述高折射率介质层的材料折射率的比值小于0.75。
[0018]
在一个实例中，所述器件中高折射率介质材料层可采用二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆中的任何一种。
[0019]
在一个实例中，所述器件中低折射率介质材料可采用二氧化硅、二氟化镁、冰晶石中的任何一种。
[0020]
其中，优选地，所述多层膜结构元件中的具有不同折射率的多层介质材料层中，可
以是高折射率介质材料层与低折射率介质材料层交替叠加。其中，所述高折射率介质材料层与低折射率介质材料层中的高折射率和低折射率，是二者相对而言的；即高折射率介质材料层的折射率高于低折射率介质材料层的折射率。
[0021]
在一个更优选实例中，多层膜结构元件中的多层介质材料层的高折射率介质材料采用二氧化钛；多层膜结构元件中的多层介质材料层的低折射率介质材料采用二氧化硅。
[0022]
所述器件中多层膜结构元件中各个层的厚度选择使得在一定工作波长下，多层膜结构元件中可以产生光子带隙，进而激发光子晶体表面波。
[0023]
在一个实例中，多层膜结构元件中的第i层的厚度di由下式确定：
[0024][0025]
其中λ为传输光信号的波长，ni、θi分别为第i层的介质折射率和光波在第i层的入射角。其中，i为1至所述多层膜结构最大层数之间的自然数。
[0026]
所述器件中石墨烯超表面与多层介质材料层相接，可以用于调节光子晶体表面波在光子带隙中的激发位置，从而实现对波长的调控。
[0027]
在一个实例中，可通过改变所述光子晶体表面波光学器件石墨烯超表面微纳结构的厚度，使得输出光束的反射共振峰发生变化，实现波长调控。
[0028]
在一个实例中石墨烯超表面为单层或多层石墨烯，厚度为0.34nm-3.4nm。
[0029]
在一个实例中，石墨烯超表面的厚度优选为0.34nm-3.4nm，更优选为1.02nm-2.72nm，更优选1.5-2.52nm。
[0030]
在一个实例中，利用上述波长调控系统，可通过改变所述光子晶体表面波光学器件中石墨烯超表面微纳结构的填充因子，使得输出光束的反射共振峰发生变化，实现波长调控。
[0031]
在一个实例中石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子为0-1。
[0032]
在一个实例中，石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子优选为0.1-0.9，更优选为0.2-0.8，更优选为0.6。
[0033]
在一个实例中，所述波长调控的光子晶体表面波效应，表现为反射共振峰的位置移动。
[0034]
在一个实例中，通过改变所述光子晶体表面波器件表面相邻外部介质的物理性质(如折射率等)，可改变相应的光子晶体表面波反射效应。
[0035]
在一个实例中，可通过检测输出光束的反射效应变化获得所述偏振相关的波长调控器件表面相邻外部介质的物理性质(如折射率等)，实现高灵敏度传感检测。
[0036]
本发明的一种实现波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件具有以下优点：
[0037]
1.本发明所设计的一种实现波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件采用石墨烯超表面加载的多层膜结构元件，利用超表面微纳结构来调控光子晶体表面波光场的传输和空间分布，通过在石墨烯超表面激发光子晶体表面波时产生的局域场增强效应，调制振幅、相位和频率响应，实现频率选择以及波长调控效应。
[0038]
2.本发明所设计的实现波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件通过将显著增强的光场限制在石墨烯超表面，增强石墨烯与光的相互作用，通过超表面频率选
择以及波长调控效应，可以有效实现石墨烯在新型光学和光电器件领域的应用。
[0039]
3.将本发明提出的波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件用于基于表面波的传感检测，可实现高灵敏度传感。
附图说明
[0040]
图1是一种波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构示意图。
[0041]
图2是实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构示意图。
[0042]
图3是实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的局部放大图。
[0043]
图4是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子时，外部介质为水时，实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射共振峰强度变化曲线。
[0044]
图5是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子时，实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射相位变化曲线。
[0045]
图6是实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件随外部介质折射率改变获得的波长强度反射谱传感曲线。
[0046]
图7是实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构示意图。
[0047]
图8是实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的局部放大图。
[0048]
图9是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的厚度时，实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射共振峰强度变化曲线。
[0049]
图10是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的厚度时，实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射相位变化曲线。
具体实施方式
[0050]
实例一：填充因子可调的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构
[0051]
图2是实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构示意图。图3是实例1所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的局部放大图。201为包覆层，nc为其折射率；202为石墨烯超表面微纳结构阵列，阵列周期为500nm，wg为微纳结构的宽度，ng为其折射率，ff为其填充因子，定义为微纳结构的宽度与阵列周期的比值，即：ff＝wg/500；203为多层膜结构元件的多层介质材料层；204为多层膜结构元件的多层介质材料层的低折射率介质层，n
l
为其折射率，d
l
为其高度；205为多层膜结构元件的多层介质材料层的高折射率介质层，nh为其折射率，dh为其高度(多个低折射率介质层204、高折射率介质层205相互叠加构成多层介质材料层203)；206为多层膜结构元件的透明电介质基底。
[0052]
在本实例中，包覆层201的材料设为水，其折射率为1.33；202石墨烯超表面的作用是激发光子晶体表面波，进而石墨烯超表面对于入射光束中的偏振分量产生不同的振幅、相位和频率响应，使经过该器件的反射光束中的偏振分量所对应的空间光场分布相对入射光束的空间光场分布在部分空间区域上发生变化，以获得波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0053]
在可见光范围内，石墨烯的折射率表达式为：
[0054]
ng＝3+i5.446λ/3
[0055]
其中，λ为波长，单位为μm。
[0056]
多层膜结构元件203中的低折射率介质层204的材料设为二氧化硅，其折射率为1.443；多层膜结构元件203中的多层介质材料层的周期数为7；多层膜结构元件203中的高折射率介质层205的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；多层膜结构元件203中的透明电介质基底206的材料为zf10玻璃，其折射率为1.6748(在785nm波长上)。
[0057]
在本实例中，石墨烯超表面202的厚度为1nm，填充因子ff的取值范围为0.1-1，低折射率介质层204的高度d
l
＝300nm；高折射率介质层205的高度dh＝130nm。
[0058]
使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述器件结构进行仿真，计算得到所提石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的波长调控特性。
[0059]
图4是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子时，外部介质为水时，实例所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射共振峰强度变化曲线。由图4可见，随着填充因子的增大，光子晶体表面波共振吸收峰的激发波长逐渐向长波长移动，实现了波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0060]
图5是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的填充因子时，实例所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射相位变化曲线。由图5可见，随着填充因子的增大，光子晶体表面波激发时伴随着剧烈的相位跳变，且逐渐向长波长移动，实现了波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0061]
图6是实例所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件随外部介质的折射率改变获得的波长强度反射谱传感曲线。其中填充因子ff的取值为0.6。由图6可见，随着样品折射率的改变，反射共振峰的波长发生了明显的移动，实现了高灵敏度波长传感检测。
[0062]
实例二：厚度可调的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构
[0063]
图7是实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构示意图。图8是实例2所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的局部放大图。801为包覆层，nc为其折射率；802为石墨烯超表面微纳结构阵列，ng为其折射率，dg为其厚度；803为多层膜结构元件的多层介质材料层；804为多层膜结构元件的多层介质材料层的低折射率介质层，n
l
为其折射率，d
l
为其高度；805为多层膜结构元件的多层介质材料层的高折射率介质层，nh为其折射率，dh为其高度(多个低折射率介质层804、高折射率介质层805相互叠加构成多层介质材料层803)；806为多层膜结构元件的透明电介质基底。
[0064]
在本实例中，包覆层801的材料设为水，其折射率为1.33；802石墨烯超表面的作用是激发光子晶体表面波，进而石墨烯超表面对于入射光束中的偏振分量产生不同的振幅、相位和频率响应，使经过该器件的反射光束中的偏振分量所对应的空间光场分布相对入射光束的空间光场分布在部分空间区域上发生变化，以获得波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0065]
在可见光范围内，石墨烯的折射率表达式为：
[0066]
ng＝3+i5.446λ/3
[0067]
其中，λ为波长，单位为μm。
[0068]
多层膜结构元件803中的低折射率介质层804的材料设为二氧化硅，其折射率为1.443；多层膜结构元件803中的多层介质材料层的周期数为7；多层膜结构元件803中的高折射率介质层805的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；多层膜结构元件803中的透明电介质基底806的材料为zf10玻璃，其折射率为1.6748(在785nm波长上)。
[0069]
在本实例中，石墨烯超表面802的厚度取值范围为dg＝1nm-3nm，填充因子ff为0.6，低折射率介质层804的高度d
l
＝300nm；高折射率介质层805的高度dh＝130nm。
[0070]
使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述器件结构进行仿真，计算得到所提石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件结构的波长调控特性。
[0071]
图9是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的厚度时，外部介质为水时，实例所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射共振峰强度变化曲线。由图9可见，随着厚度的增大，光子晶体表面波共振吸收峰的激发波长逐渐向长波长移动，实现了波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0072]
图10是改变石墨烯超表面微纳结构阵列的厚度时，实例所述波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件反射相位变化曲线。由图10可见，随着厚度的增大，光子晶体表面波激发时伴随着剧烈的相位跳变，且逐渐向长波长移动，实现了波长可调控的光子晶体表面波效应。
[0073]
综上，本发明在多层膜结构元件表面集成石墨烯超表面微纳结构阵列，通过将显著增强的光场限制在石墨烯超表面，增强石墨烯与光的相互作用，在石墨烯超表面激发光子晶体表面波，进而通过超表面频率选择以及波长调控效应，实现了一种波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件。可以有效增强光子晶体表面波的传感检测灵敏度，实现光子晶体表面波在新型光学和光电器件领域的应用。
[0074]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的实现波长调控的石墨烯超表面光子晶体表面波光学器件的结构、技术和应用方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。