本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于特種光束發(fā)生裝置和光學(xué)捕獲領(lǐng)域中的陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器。

背景技術(shù)：

基于對(duì)光波振幅和相位調(diào)制的光束整形和操控技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)，它提供了很多獨(dú)特場(chǎng)分布的光束，在光學(xué)微操控和光學(xué)微捕獲、顯微光學(xué)和光通信等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。大多數(shù)光束整形技術(shù)依賴線性光學(xué)器件，因此只能在單一波長或者固定的參數(shù)下工作，無法從外部進(jìn)行調(diào)節(jié)。石墨烯，一種由單層碳原子構(gòu)成的材料已經(jīng)成了可調(diào)光器件的熱門選擇，特別是在紅外和太赫茲波段。石墨烯的機(jī)械、電子以及光學(xué)性能可以通過化學(xué)摻雜和外部電壓來進(jìn)行調(diào)節(jié)。較寬的相位調(diào)制范圍對(duì)光束整形技術(shù)至關(guān)重要。然而，介質(zhì)層上的單層石墨烯太薄使得光與石墨烯的相互作用太弱，透射工作模式的器件僅通過調(diào)節(jié)石墨烯帶的費(fèi)米能級(jí)和寬度很難實(shí)現(xiàn)2π范圍內(nèi)的相位調(diào)制。因此基于石墨烯的特種光束發(fā)生器的報(bào)道不多。

無衍射Airy光束由于其具有橫向加速度和自我恢復(fù)能力受到了廣泛關(guān)注。此光束可以無衍射傳輸很長的距離，可以通過利用散射力對(duì)物體進(jìn)行長距離引導(dǎo)。表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光和金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種表面電磁波模式，被緊緊地限制在金屬表面并且沿著金屬薄膜的表面?zhèn)鞑?。石墨烯在紅外和太赫茲波段展現(xiàn)出很強(qiáng)的金屬特性，因此石墨烯表面等離激元也應(yīng)會(huì)具有納米級(jí)的強(qiáng)束縛特性和相對(duì)低的傳輸損耗。本發(fā)明將提供一種陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器，SPPs是通過衍射光柵激發(fā)的，通過光柵之間相對(duì)位置和光柵占空比分別對(duì)SPPs的相位和振幅進(jìn)行調(diào)制。通過化學(xué)摻雜或者外部電壓控制來調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，就可以得到不同頻率具有相同加速度軌跡的消色散Airy光束。陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器為Airy光束的產(chǎn)生提供了多種選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明由二氧化硅或半導(dǎo)體材料作為襯底，在襯底表面刻寫納米衍射光柵陣列結(jié)構(gòu)，然后在光柵表面鋪單層石墨烯構(gòu)成。

所述的納米衍射光柵陣列結(jié)構(gòu)在x軸方向上具有相同的光柵周期、占空比和光柵高度，在y軸方向光柵陣列的寬度是梯度變化的。

沿y軸方向光柵陣列的數(shù)量等于艾里光束的波包數(shù)，除第一個(gè)光柵陣列外，其余光柵的寬度等于相對(duì)應(yīng)的Airy函數(shù)兩相鄰零值之間的距離。

相鄰光柵陣列在x軸方向有半個(gè)表面等離激元波長的偏移量，提供交替的π相位改變。

Airy光束在石墨烯和空氣界面?zhèn)鬏?，也在石墨烯和襯底界面?zhèn)鬏敚赐ㄟ^在二氧化硅上刻寫空氣槽形成光柵陣列，石墨烯直接覆蓋在二氧化硅襯底表面。

光柵周期需要滿足相位匹配條件，其中m為光柵衍射級(jí)數(shù)，θ為入射角，對(duì)于垂直入射條件θ＝0，m＝1。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、該Airy光束發(fā)生器模式束縛能力強(qiáng)，光束傳播距離超長，在微光學(xué)粒子操縱和光學(xué)整形中具有重要意義；

2、由于石墨烯自身方便的可調(diào)諧性和材料柔性，該器件可提供動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)性能，易于實(shí)際操作；

3、該發(fā)生器可工作在中紅外波段及太赫茲波段，而太赫茲波段的SPP波恰好處于生物的敏感波段，因此在生物傳感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器的立體結(jié)構(gòu)圖，1是二氧化硅或者半導(dǎo)體材料襯底，2是石墨烯薄膜，3是光柵陣列；

圖2是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器沿x方向的剖面圖；

圖3(a)是不同光柵周期下的透射系數(shù)(T)、反射系數(shù)(R)和吸收系數(shù)(A)；圖3(b)是單個(gè)光柵單元內(nèi)的場(chǎng)分布(|E_x|²)；

圖4是表面Airy光束和入射高斯光振幅曲線及x-y面內(nèi)光柵的幾何分布示意圖。w表示光柵陣列脊的寬度，Λ表示光柵陣列在x方向上的周期，0.5λ_spp表示相鄰陣列光柵之間有半個(gè)等離激元波波長的錯(cuò)位；

圖5是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器仿真效果圖；

圖6是傳播距離(從最末端光柵開始)為1.3μm時(shí)y軸方向理想光束和模擬光束的振幅曲線圖；

圖7是表面Airy光束主波包的軌跡圖；

圖8是消色散Airy等離激元波入射光頻率和費(fèi)米能級(jí)之間的關(guān)系圖，標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)參考值，三角點(diǎn)：,30THz，圓點(diǎn)：,34.88THz；

圖9是在0.48eV和30THz條件下，石墨烯表面電場(chǎng)分布圖；

圖10是圖1石墨烯表面Airy光束發(fā)生器的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，1是二氧化硅或者半導(dǎo)體材料襯底，2是石墨烯薄膜，3是介質(zhì)表面空氣槽；

圖11是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器互補(bǔ)結(jié)構(gòu)沿x方向的剖面圖；

圖12是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器互補(bǔ)結(jié)構(gòu)石墨烯表面電場(chǎng)分布圖，入射光頻率為34.88THz，石墨烯費(fèi)米能級(jí)0.65eV。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

該器件由二氧化硅或半導(dǎo)體材料作為襯底，利用光學(xué)微加工技術(shù)在襯底表面刻寫納米衍射光柵陣列結(jié)構(gòu)，然后在光柵表面鋪單層石墨烯構(gòu)成。其工作原理是基于光衍射效應(yīng)，利用納米光柵陣列激發(fā)沿x軸方向的表面等離激元波，利用y方向梯度寬度光柵陣列產(chǎn)生Airy包絡(luò)及相應(yīng)的相位。通過化學(xué)摻雜或者外部電壓來調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，使得不同入射光可以產(chǎn)生具有相同的加速度軌跡的Airy光束，故該發(fā)生器具有消色散的能力。該發(fā)生器可工作在中紅外波段及太赫茲波段。

一種陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器，由單層石墨烯薄膜直接覆蓋在二氧化硅襯底的光柵陣列上。單層石墨烯放置于光柵陣列之上；光柵占空比為固定值，x軸方向上具有相同的光柵周期；光柵陣列高度相同；光柵陣列在y軸方向上的寬度不同且呈梯度增加。為激發(fā)石墨烯表面的等離激元波，需要克服石墨烯等離激元波和入射光之間較大的波矢差。光柵周期需要滿足相位匹配條件，其中m為光柵衍射級(jí)數(shù)，θ為入射角。對(duì)于垂直入射條件(θ＝0)m＝1，光柵周期由公式計(jì)算。激發(fā)的表面等離激元波在介于石墨烯和空氣之間的平面內(nèi)沿x軸傳播，通過光柵在y軸方向?qū)挾鹊奶荻葋韺?shí)現(xiàn)對(duì)Airy光束波包的調(diào)制，y軸方向上的光柵陣列數(shù)量等于Airy光束的波包數(shù)量。除主波包以外的波包寬度外，光柵在y軸方向上的寬度等于相應(yīng)Airy光束波包相鄰兩個(gè)振幅為0點(diǎn)的距離。通過使x軸方向上相鄰光柵有一個(gè)半個(gè)表面等離激元波長的錯(cuò)位來實(shí)現(xiàn)相鄰Airy光束波包間π的相位變換。石墨烯的費(fèi)米能級(jí)可以通過電壓控制和化學(xué)摻雜進(jìn)行外部調(diào)制。通過調(diào)節(jié)費(fèi)能級(jí)使得E_f/ω₀²＝0.65eV/(34.88THz)²的值固定，不同頻率的入射光激發(fā)的表面等離激元波和優(yōu)化的光柵周期將不會(huì)改變。因此，當(dāng)不同頻率的光入射時(shí)，激發(fā)的表面等離激元波可形成相同軌跡的Airy光束，故該光束發(fā)生器具有消色散的功能。

本發(fā)明還可以包括：所述陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器可以工作在可見光及近紅外光波段。所述陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器，其產(chǎn)生的Airy光束可以在石墨烯和空氣之間傳播，也可以在石墨烯和襯底之間傳播。

實(shí)施例1：

石墨烯表面Airy光束發(fā)生器(圖1-7)，圖1-2中的1是二氧化硅或者半導(dǎo)體襯底，2是石墨烯薄膜，3是光柵陣列。二氧化硅光柵陣列高度h₀為100nm，石墨烯層厚度0.7nm，二氧化硅在中紅外波段的介電常數(shù)ε為3.9，x方向偏振的高斯光從石墨烯上垂直入射至光柵區(qū)域，入射光頻率為34.88THz，石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.65eV。當(dāng)光柵周期從0.25逐漸增大到0.35時(shí)透射系數(shù)(T)、反射系數(shù)(R)和吸收系數(shù)(A)的函數(shù)曲線見圖3(a)。當(dāng)光柵周期約為290nm時(shí)石墨烯等離激元波的最大吸收系數(shù)可達(dá)到33％。在最大激發(fā)效率下，x-z平面內(nèi)單個(gè)光柵單元的電場(chǎng)能量分布(|E_x|²)見圖3(b)，該圖顯示了具有局域增強(qiáng)放大的石墨烯表面等離激元波場(chǎng)。波矢沿x軸方向的表面等離激元波在z方向的傳播衰減長度約為15.5nm。

由公式得到石墨烯空氣界面間產(chǎn)生的等離激元波波長為562nm，則相鄰光柵陣列間的間距選為280nm。光柵陣列周期285nm，預(yù)想的Airy光束主波包的半寬為600nm，二氧化硅光柵有6個(gè)周期和10個(gè)陣列。具體結(jié)構(gòu)如圖4，石墨烯表面電場(chǎng)分布(|E_x|²)見圖5?？梢钥闯霰砻娴入x激元波沿著x方向傳播并在y方向具有加速度。所激發(fā)的表面等離激元波同時(shí)具有曲線軌跡和非衍射的特性。傳播距離(從最末端光柵開始)為1.3μm時(shí)y軸方向理想光束和模擬光束的振幅曲線見圖6，主波包的半寬(FWHM)為1200nm。表面Airy光束主波包的軌跡見圖7，紅色菱形標(biāo)記為有限元(FEM)模擬值，藍(lán)色曲線是理想理論計(jì)算值。從上述計(jì)算結(jié)果看，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)Airy光束的產(chǎn)生。

根據(jù)公式可知，如果E_f/ω₀²＝0.65eV/(34.88THz)²的值固定，優(yōu)化的光柵周期和受激等離激元波將保持不變，滿足這一關(guān)系的費(fèi)米能級(jí)和入射光頻率如圖8所示，二氧化硅的色散在考慮的波長范圍內(nèi)忽略不計(jì)。通過電壓控制和化學(xué)摻雜調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，當(dāng)不同頻率的入射光入射時(shí)，可產(chǎn)生具有相同加速軌跡的Airy光束。為了驗(yàn)證消色散的特性，在圖8中的曲線上取一點(diǎn)(0.48eV，30THz)，所得到的石墨烯表面計(jì)算場(chǎng)分布結(jié)果如圖9所示。場(chǎng)的分布幾乎與圖5完全一致，僅僅受激效率稍有不同。即證明了Airy光束發(fā)生器的具有超寬帶消色散特性。

實(shí)施例2：

如圖10-12示，與實(shí)施例1不同的是，圖10-11是石墨烯表面Airy光束發(fā)生器的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的Airy光束在石墨烯和襯底之間的界面?zhèn)鞑ァＴ谙嗤肷涔忸l率34.88THz下，石墨烯介質(zhì)界面間產(chǎn)生的等離激元波波長僅為230nm，Airy光束主波包的半寬為350nm，石墨烯表面電場(chǎng)分布如圖所示12。光柵陣列周期275nm，占空比為0.3。主瓣在離光柵末端8.5μm處向y方向偏轉(zhuǎn)0.7μm，在距光柵末端1μm的傳輸距離處，主波包的半寬為780nm。類似的，該結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)消色散特性。

本發(fā)明提供了一種陣列光柵激發(fā)的石墨烯表面消色散Airy光束發(fā)生器，該器件由二氧化硅或半導(dǎo)體材料作為襯底，利用光學(xué)微加工技術(shù)在襯底表面刻寫表面衍射光柵陣列結(jié)構(gòu)，然后在光柵表面鋪單層石墨烯構(gòu)成。該器件利用光柵激發(fā)石墨烯和介質(zhì)界面的表面等離激元波，通過光柵之間的相對(duì)位置和光柵晶格的占空比分別對(duì)表面等離激元波的相位和振幅進(jìn)行調(diào)制。通過化學(xué)摻雜或者外部電壓控制來調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，就可以得到不同頻率具有相同加速度軌跡的消色散Airy光束。與目前通用的Airy光束產(chǎn)生裝置相比，它具有更好的可調(diào)節(jié)性，該器件在平面光子集成和表面光學(xué)操作中具有重要應(yīng)用。