一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器

本发明属于可调吸收器，特别是一种石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器。

背景技术：

1、法诺共振是一种由亮态和暗态干涉产生的非对称线形的共振现象，由于其具有尖锐的共振峰和显著的近场增强，近年来在光学领域得到人们深入研究。由于品质因素远高于局域表面等离子体共振，法诺共振被广泛应用于光学传感器、光学开光、特定分子检测等方面。法诺共振可以在纳米结构尺寸中被激发，产生方式有多种，例如不同折射率构成的无序结构、波导中的导模耦合、打破对称的超表面结构，以及超表面与法布里-珀罗谐振腔的模式耦合。

2、通过打破结构对称的超表面来产生法诺共振是目前产生法诺共振比较常见的方法。超表面是一种人工二维超材料，因为独特的光学性质而受到广泛关注，被广泛应用于吸收器，分束器等领域。超表面由亚波长结构尺寸单元周期性排列组成，利用超表面的纳米结构可以产生局域表面等离子共振，纳米颗粒或金属会对 光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振的现象，这时会在光谱上出现一个强的共振吸收峰。同时，纳米结构在入射光的激发下会因为偶极矩而产生共振，当打破纳米结构的对称性时，会在结构中产生高阶共振模式，这种高阶共振模式具有窄的共振线型，且由入射光间接激发，因此可以作为暗态与纳米结构的局域表面等离激元共振耦合产生法诺共振。大部分通过打破对称的微纳结构形成法诺共振，这种不对称的结构导致其对入射光偏振态有特定要求，即具有偏振敏感性。

3、法布里-珀罗谐振腔是由两个平行反射镜组成的光学谐振腔，具有窄的共振线型，通过和局域表面等离激元耦合也可形成具有高品质因素的法诺共振。同时，由于这种结构并未打破结构本身的对称性，其对入射光具有不敏感性。但是，目前基于打破对称超表面结构和超表面-腔耦合结构的法诺共振吸收器，由于结构本身的固定性，都只能通过调整结构几何参数来改变法诺共振的共振波长，限制了其在生物检测领域的作用。

4、在近十几年中，石墨烯由于良好的线形光学特性而受到越来越多的关注。石墨烯是一种由碳原子构成只有一个原子层厚度的二维材料，于2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用透明胶首次得到。石墨烯材料的费米能级可以随着施加在其上电压的变化而变化，导致石墨烯的介电常数发生改变，从而影响其光学性质。这种光学可调性质使其在光电器件领域具有极大的应用潜力。目前，已有将石墨烯用于光学吸收器的报道，但是其偏振敏感的特性及较低的品质因素限制了在光学检测领域的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型可调谐的石墨烯金属超表面fano共振吸收器，该可调吸收器具有品质因数高、共振波长可调、偏振不敏感等特点。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，所述可调吸收器包括玻璃衬底、金属超表面、法布里-珀罗谐振腔及石墨烯。金属超表面用于激发局域表面等离激元共振，作为构成法诺共振的亮态，法布里-珀罗谐振腔产生的共振用于构成法诺共振的暗态，石墨烯用于调节法诺共振波长。通过控制石墨烯外加电压可以改变石墨烯费米能级进而改变石墨烯介电常数，从而改变石墨烯的光学性质，实现共振波长的可调。

3、进一步地，所述可调吸收器的金属超表面基本构成为纳米环，结构材料为金。

4、进一步地，所述金属超表面是由金纳米环组成的具有周期性的阵列。

5、进一步地，对于无开口的金纳米环，所述金属超表面可以在入射光激发下产生局域表面等离激元共振，构成法诺共振的亮态。由于金属损耗，局域表面等离激元共振具有较宽的共振线型。

6、进一步地，当改变金纳米环的内外半径比，金属超表面产生的局域表面等离激元共振的波长会发生改变。

7、进一步地，所述法布里-珀罗谐振腔由两面平行反射镜构成，具有平行反射镜作用的结构分别为金纳米环阵列和金层，法布里-珀罗谐振腔产生的共振具有尖锐的共振峰。

8、进一步地，所述法布里-珀罗谐振腔结构中，n阶腔模共振波长、腔长l及腔内介质折射率需要满足公式：

9、

10、其中，是一个常数。当改变谐振腔腔长，法布里-珀罗谐振腔共振波长会发生改变。

11、进一步地，所述金纳米环产生的局域表面等离激元共振波长与法布里-珀罗谐振腔共振波长处于相近波长范围内时，两种共振可以发生耦合，产生双法诺共振。所述双法诺共振产生于近红外波段，且耦合产生的法诺共振具有较窄的共振线型。

12、进一步地，所述石墨烯位于金属纳米环阵列与玻璃衬底之间，采用多层石墨烯，以实现对共振波长的良好可调效果。

13、进一步地，所述石墨烯结构，当改变石墨烯外加电压，可以改变石墨烯费米能级，由石墨烯kubo公式进而可以改变石墨烯的介电常数，产生的法诺共振的波长会发生改变。石墨烯的介电常数由简化的石墨烯kubo公式给出：

14、

15、

16、式中，为石墨烯介电常数的实部，为石墨烯介电常数的虚部，为元电荷带电量，为自由空间介电常数，为石墨烯的厚度，为光场强度，为费米能级，是一个参数。

17、进一步地，所述可调吸收器可应用于样品分子检测，待测样品置于谐振腔内。不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振谱可以得出样品的折射率，从而有助于分析样品的成分或性质。

18、进一步地，所述可调吸收器的结构是几何对称的，对入射光具有偏振不敏感性，在实际应用中不受入射光偏振态的影响。

19、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

20、1）本发明采用金属超表面、法布里-珀罗谐振腔与石墨烯相结合的方式，产生高品质因数、共振波长可调的法诺共振。2）石墨烯层位于金纳米环阵列和玻璃之间，不会影响较窄的法诺共振线型。3）通过改变石墨烯外加电压可以灵活调节法诺共振的波长，可以对不同波长分子进行精准检测，提高了在生物医学领域应用中的检测精度和灵活性。4）本发明结构具有几何对称性，对入射光具有偏振不敏感性，在实际应用中不受入射光偏振态的影响，适用方面更加广泛。

21、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述可调吸收器包括玻璃衬底、金属超表面、法布里-珀罗谐振腔及石墨烯；所述金属超表面用于激发局域表面等离激元共振，作为构成法诺共振的亮态，所述法布里-珀罗谐振腔产生的共振用于构成法诺共振的暗态，所述石墨烯用于调节法诺共振波长；所述可调吸收器可在近红外波段产生双法诺共振，通过控制石墨烯外加电压可改变石墨烯费米能级进而改变石墨烯介电常数，从而改变石墨烯的光学性质，实现共振波长的可调。

2.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔包括两面平行反射镜，所述两面平行反射镜分别由金层和金纳米环阵列构成。

3.根据权利要求2所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔结构中，n阶腔模共振波长、腔长l及腔内介质折射率需满足以下公式：

4.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述金属超表面采用金纳米环阵列结构，阵列结构具有周期性；对于无开口的金纳米环，入射光可直接激发局域表面等离激元共振，构成法诺共振的亮态；当改变所述金纳米环的内外半径比时，局域表面等离激元共振波长会发生改变。

5.根据权利要求4所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，当局域表面等离激元共振波长与法布里-珀罗谐振腔共振波长处于相同波长范围内时，两种共振态可发生耦合，产生法诺共振，且法诺共振具有较窄的共振峰。

6.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯位于金纳米环阵列与玻璃衬底之间，且采用多层石墨烯结构。

7.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯的介电常数由简化的石墨烯kubo公式给出：

8.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，所述可调吸收器的结构是几何对称的，对于入射光具有偏振不敏感性。

9.根据权利要求1所述的石墨烯金属超表面fano共振可调吸收器，其特征在于，当可调吸收器应用于样品检测时，待测样品置于法布里-珀罗谐振腔内部，不同折射率的样品会产生不同共振波长的共振峰，通过分析共振谱可以得出样品的折射率，进而可分析样品的成分或性质。

技术总结
本发明公开了一种石墨烯金属超表面Fano共振可调吸收器，所述可调吸收器包括玻璃衬底、石墨烯、金属超表面及法布里‑珀罗谐振腔（Fabry–Pérot cavity，F‑P谐振腔）。金属超表面用于被入射光直接激发，产生局域表面等离激元共振作为构成法诺共振的亮态；法布里‑珀罗谐振腔用于被入射光间接激发，产生法布里‑珀罗谐振腔共振作为构成法诺共振的暗态。两种共振态耦合形成法诺共振，石墨烯用于实现法诺共振波长的可调性。本发明使用石墨烯金属超表面，可用于产生法诺共振可调吸收器，且具有高品质因数和偏振不敏感特性，提高了吸收器在生物医学领域进行特定分子检测的精度和灵活性。

技术研发人员：沈哲,施余豪,冉亚男,熊立翔
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15