一种基于石墨烯-VO2波导的磁光-热光调控方法

本发明涉及if位移调控，尤其是涉及一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法。

背景技术：

1、光自旋霍尔效应(photonic spin hall effect，pshe)是指线偏振光在经过非均匀介质时，在介质折射率梯度扮演的外场作用下，自旋相反的光子沿垂直于折射率梯度的方向朝相反方向分离，导致光束分裂成两束圆偏振光，包括左旋圆偏振光(lhcp)和右旋圆偏振光(rhcp)，这两束光分居在垂直于入射面的截面两侧。也被称为imbert-fedorov(if)效应，其本质是一种由自旋-轨道相互作用引起的与光子自旋轨迹相关的物理现象。

2、if位移通常只有波长的几分之一，对其进行调控与放大是目前重点研究方向。一方面，可以通过改变介质的材料及结构实现if位移的放大。另一方面，也可以通过磁场、电场、温度等外场的改变对if位移实现灵活调控。例如，利用单层石墨烯在太赫兹波段出色的磁光特性，可以实现if位移的磁场调控。而vo2作为一种典型的相变材料，在外部光激发、热激发或电激发的作用下，可发生从单斜相到四方相的结构转变，也就是从绝缘态转变到金属态，其相变温度大约为68℃(340k)，也可实现if位移的高效调控。目前，很多研究人员已经利用石墨烯或vo2做了许多相关工作。但将石墨烯与vo2结合针对if位移的研究尚未报道。

3、除了外场调节，不同的入射光束模式也会对if位移产生较大影响。以往if位移研究所涉及的光束模式主要为传统高斯光束，与传统高斯光束相比，拉盖尔-高斯(laguerre–gaussian beam,lg beam)光束携带有螺旋相位，将对光子轨道角动量产生影响，进而使if位移发生变化。2019年，long等人通过仔细选择预选和选后状态，证明了空气棱镜界面处微小oam引起的if位移和gh位移的弱值放大并证明放大的光束偏移随入射oam线性变化。2019年，lin等人研究了棱镜、氧化铟锡结构中lmr被激发时高阶拉盖尔-高斯(lg)光束的if位移。2021年，liu系统地研究了pt对称超材料界面处一阶lg光束的非对称if位移。以上研究仅仅是分析光学材料或结构的本征特性对lg光束if位移的影响，并未额外施加磁场、热场等物理场进行动态调制，相关物理机制和调控效果仍有待探索。

4、因此，提供一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控的方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，实现了磁场和温度对if位移的有效调制，结构中vo2独特的相变特性，实现了温度对if位移的有效调控，为开发高灵敏度的光学传感器，实现磁场、温度等参数的灵敏检测提供了新途径。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，1.一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：包括以下步骤：

3、s1：引入拉盖尔-高斯光束，光束是不同角谱分量的平面波的叠加，每个角谱分量与光的传输轴形成夹角；

4、s2：线偏振光束在介质的界面处发生折射和反射时，不同角谱分量的相位和偏振将发生不同的改变，使线偏振光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量相互分离；

5、s3：计算线偏振拉盖尔-高斯光束的角谱分量；

6、s4：通过平面波角谱分析法，通过边界性连续条件建立入射光束和反射光束角谱分量之间的关系；

7、s5：计算实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量，对反射光角谱分量积分，进行傅里叶变换得到反射光束电场分布表达式，利用几何光学原理求得光场重心，得到反射光中自旋分量的横向位移；

8、s6：通过drude模型描述太赫兹波段的石墨烯及vo2介电张量矩阵；

9、s7：通过转移矩阵法建立光束在同一介质中及不同介质间的传输模式，计算结构的反射系数；

10、s8：代入if位移公式，实现对拉盖尔-高斯光束的if位移仿真。

11、优选的，在步骤s3中，线偏振拉盖尔-高斯光束的角谱分量为：

12、

13、其中，l表示入射光的轨道角动量，sl＝sign(l)表示l的符号函数，其值为“+”与“-”，ω0为束腰半径，kx和ky分别表示入射光束在x和y方向上的波矢分量。

14、优选的，在步骤s4中，入射光束和反射光束角谱分量之间的关系式为：

15、

16、其中，和分别为h偏振光的入射角谱与反射角谱，和分别为v偏振光的入射角谱与反射角谱，r为入射角谱与反射角谱之间关系的传输矩阵；

17、

18、

19、

20、

21、上式中，rpp、rss、rsp、rps表示反射系数，θi为入射角，r′pp是rpp的一阶导数，r′ss是rss的一阶导数，r′sp是rsp的一阶导数，r′ps是rps的一阶导数。

22、优选的，在步骤s5中，实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量表达式为：

23、

24、

25、反射光中自旋分量的横向位移δ±表示为：

26、

27、式中，为光场分布的共轭表达式，dxdy表示x和y的二重积分。

28、优选的，在步骤s6中，石墨烯介电张量矩阵表示为：

29、

30、其中，εxx表示石墨烯的有效介电常数对角元，εxy表示石墨烯的有效介电常数非对角元；

31、

32、上述公式中，ω为入射光束的角频率，ε0为真空介电常数，tg为结构中石墨烯的厚度，石墨烯的对角光电导张量σxx与非对角元光电导张量σxy定义为：

33、

34、

35、式中，ef为石墨烯的有效费米能级，为约化普朗克常量，τ＝0.2×10-9s为弛豫时间，e＝1.6×10-19c为单位元电荷的值，ωc为粒子围绕磁力线回转的回旋频率；

36、

37、其中，vf＝9.5×105m/s为费米速度，b为磁场强度；

38、vo2介电常数ε(ω)用drude模型进行描述；

39、

40、其中高频时介电常数极限值ε∞＝12，等离子体频率ωp＝1.4×1015s-1，碰撞频率ωd＝5.75×1013s-1，σ0＝3×105s/m，在绝缘状态下，vo2的电导率σ＝200s/m，在金属状态下vo2的电导率σ＝200000s/m。

41、因此，本发明采用上述一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，实现了磁场和温度对if位移的有效调制，结构中vo2独特的相变特性，实现了温度对if位移的有效调控，为开发高灵敏度的光学传感器，实现磁场、温度等参数的灵敏检测提供了新途径。

42、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：在步骤s3中，线偏振拉盖尔-高斯光束的角谱分量为：

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：在步骤s4中，入射光束和反射光束角谱分量之间的关系式为：

4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：在步骤s5中，实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量表达式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于石墨烯-vo2波导的磁光-热光调控方法，其特征在于：在步骤s6中，石墨烯介电张量矩阵表示为：

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯‑VO<subgt;2</subgt;波导的磁光‑热光调控方法，涉及IF位移调控领域，包括以下步骤S1：引入拉盖尔‑高斯光束；S2：线偏振光束在介质的界面处发生折射和反射时，使线偏振光束的左旋、右旋圆偏振分量相互分离；S3：计算线偏振拉盖尔‑高斯光束的角谱分量；S4：通过平面波角谱分析法，建立入射光束和反射光束角谱分量之间的关系；S5：计算实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量；S6：通过Drude模型描述太赫兹波段的石墨烯及VO<subgt;2</subgt;介电张量矩阵；S7：计算结构的反射系数；S8：代入IF位移公式，实现对拉盖尔‑高斯光束的IF位移仿真，本发明采用上述方法，实现磁场和温度对IF位移的有效调制，为开发高灵敏度的光学传感器和参数的灵敏检测提供了新途径。

技术研发人员：罗莉,王宇婷,李杰,杨定宇,彭穗,刘波,吴文娟,潘雨东,王灵之,刘肖
受保护的技术使用者：成都信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15