基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜制造技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，属于新型人工电磁材料和光学器件领域。该平面超透镜包括下层的金属基底层，中层的电介质层，上层的开设有矩形孔阵列的石墨烯超表面层，用于控制反射波的极化方向和传播特性，另外还设有连接石墨烯超表面和金属基底的可控偏置电压装置，以调节所述石墨烯超表面层的费米能，从而改变石墨烯层电导率，实现石墨烯平面超透镜聚焦性能的动态可调谐。本发明专利技术的平面超透镜可以实现宽波带聚焦，易于调控，相比于透射式超透镜过低的透射效率，更适合实际场景的应用，实用性更高。

Reflective circular polarized plane super lens based on graphene super surface

The invention relates to a reflective circularly polarized planar hyperlens based on graphene supersurface, which belongs to the field of novel artificial electromagnetic materials and optical devices. The planar superlens consists of a metal substrate layer in the lower layer, a dielectric layer in the middle layer, and a graphene Supersurface layer with a rectangular hole array in the upper layer, which is used to control the polarization direction and propagation characteristics of the reflected wave. In addition, a controllable bias voltage device connecting the graphene Supersurface and the metal substrate is provided to adjust the graphene. The Fermi energy of the super-surface layer changes the conductivity of the graphene layer and realizes the dynamic tunability of the focusing performance of the graphene planar superlens. The planar superlens of the present invention can realize wide-band focusing and is easy to control. Compared with the transmission superlens, the transmission efficiency is too low, and it is more suitable for the application of the actual scene, and has higher practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜
本专利技术涉及一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，属于新型人工电磁材料和光学器件领域。
技术介绍
超材料(metamaterials)是具有天然媒质所不具备的超常物理性质的新型人工电磁媒质的统称,通常由能发生电响应和磁响应的亚波长金属或电介质单元周期排列而成，其宏观电磁学特性与常规材料不同，具有许多自然材料所不具备的新特性。超表面(metasurface)是由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，它既保留了三维超材料的奇异特性，又克服了三维超材料在制备上所面临的困难。通过调整超表面结构单元的几何参数(如大小，形状，方向等)可控制反射波或透射波的波阵面，实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。由于设计的灵活性和功能的多样性，超表面可以用于性能优良的调制器、移相器、传感器、探测器、滤波器、吸波器等，在紧凑、超薄电磁波或光子学器件方面有巨大应用潜能。然而，基于金属或电介质材料的超材料或超表面一旦结构固定，其电磁性能就无法改变，在灵活调制电磁波方面受到很大限制。太赫兹(THz)波通常指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)范围的电磁波，介于微波毫米波与红外线之间，是电子学与光子学之间的过渡区。太赫兹波具有优越的性能，在物理、化学、生命等基础研究学科，以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景。常规材料难于在太赫兹波段实现电磁响应，超材料和超表面的出现弥补了这一空白，可构造性能优越的太赫兹器件，实现对太赫兹波的探测和有效操纵。目前，本领域大多使用金属纳米天线结构来构筑工作在太赫兹和红外波段的超表面，利用金属纳米结构的表面等离激元共振来调控电磁波的相位，实现对波前的控制。为方便生产制造，本领域又使用金属纳米孔结构来替代金属纳米天线构筑超表面。不论是金属纳米天线超表面还是具有互补结构特征的金属纳米孔超表面，在其制作完成时，就具备了对电磁波固定不变的操控能力，很难再进行相位和幅度的调制。同时在超透镜领域中，由于金属自身的损耗，金属天线超表面的工作模式效率很低。当金属纳米孔超表面用于透射式超透镜时，超透镜的透射率非常低(10-2量级)，仅具有一定的研究价值，实用价值不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜以解决目前金属超表面透镜效率低，性能不可调谐以及实用性不高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，其特征在于，该平面超透镜包括下层的金属基底层，中层的电介质层，上层的石墨烯超表面层，所述石墨烯超表面层和所述金属基底层之间还设有用以调控所述石墨烯超表面层费米能的偏置电压装置；所述石墨烯超表面层上开设有镂空的大小尺寸相同的矩形孔阵列，以改变反射波的相位、强度和极化方式；所述矩形孔阵列在其所在的x-y平面内以周期c排列分布，所述周期是指相邻两个矩形孔几何中心在二维轴上的距离，沿y轴方向的列矩形孔相对x轴的旋转角与沿x轴方向的行矩形孔相对x轴的旋转角配合设置，用以实现超透镜对反射圆极化波的聚焦功能。本方案给出了一种平面超透镜结构，使用分布矩形孔阵列的石墨烯层作为超表面便于通过施加偏置电压调控石墨烯超表面电磁性能，最终实现超透镜聚焦功能的可调谐。进一步的，任一行矩形孔的矩形孔数目均为2n或2n+1，每行由中心向左或向右排列的矩形孔相对x轴的旋转角均依次增加，以实现反射波相对入射波相位的变化，每行中心左侧的矩形孔与每行中心右侧的矩形孔关于每行的中心成点对称分布。进一步的，任一列矩形孔中每一个矩形孔相对x轴的旋转角均相同。进一步的，矩形孔相对x轴的旋转角的空间分布关系为其中，x表示石墨烯超表面层矩形孔几何中心的位置坐标，当任一行矩形孔的矩形孔数目为2n+1时，x＝m1c，m1＝0,±1,±2,…,±n，当任一行矩形孔的矩形孔数目为2n时，m2＝±1,±2,…,±n，F为平面超透镜的焦距，λ0为入射波波长。本方案给出了一种具体的超透镜超表面层矩形孔阵列的排布结构，该结构能够实现对反射波的线聚焦。进一步的，n为大于等于18的整数。进一步的，所述电介质层材料为SiO2。进一步的，所述金属基底层材料为金、银或铜。本方案能够为超透镜提供优良的反射效果，反射率可达到0.7以上，相比于透射式超透镜过低的透射效率，更适合实际场景的应用，实用性更高。进一步的，所述矩形孔的宽度为2.5至3.2微米，长度为4至7微米，所述周期c为8微米。进一步的，石墨烯超表面层费米能的调节范围为0.5eV至1.1eV。本方案允许通过施加不同的偏置电压来调节石墨烯超表面层的费米能，从而改变石墨烯层电导率，实现石墨烯超透镜的反射波强度和相位的动态可调谐。附图说明图1是本专利技术的一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜的结构示意图；图2-(a)是本专利技术的一种石墨烯超表面层的示意图；图2-(b)是图2-(a)所示石墨烯超表面层的结构单元示意图；图3-(a)是本专利技术的一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜实施例的示意图；图3-(b)是图3-(a)所示超透镜的石墨烯超表面层的结构单元示意图；其中，1为石墨烯超表面层，2为电介质层，3为金属基底层，c为矩形孔矩阵的周期，为矩形孔相对x轴的旋转角；图4是本专利技术实施例中当所有矩形孔旋转角均为时的反射谱，其中入射波为右旋圆偏振波，RRR和RRL分别代表反射波中的右旋圆偏振波分量和左旋圆偏振波分量；图5是频率5THz的右旋圆偏振波入射至本专利技术实施例超透镜结构时反射的左旋圆偏振波的反射率和反射相位差与石墨烯孔旋转角的关系；图6是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构的石墨烯矩形孔旋转角沿表面x轴方向的空间分布曲线以及相应的反射波相位分布曲线；图7-(a)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在频率为5THz的右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波在x-z平面内的聚焦效果图；图7-(b)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在频率为5THz的右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波的电场强度幅值在x＝0平面内沿z轴的分布；图7-(c)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在频率为5THz的右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波的电场强度幅值在z＝140um平面内沿x轴的分布；图8-(a)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在不同频率右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波的电场强度幅值在x＝0平面内沿z轴的分布；图8-(b)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在频率为4.6THz的右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波在x-z平面内的聚焦效果图；图8-(c)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在频率为6THz的右旋圆偏振波入射时，左旋圆偏振反射波在x-z平面内的聚焦效果图；图9-(a)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构在5THz右旋圆偏振波入射，石墨烯层费米能设置为不同值时，左旋圆偏振反射波的电场强度幅值在x＝0平面内沿z轴的分布；图9-(b)是工作频率5THz，焦距F＝150um的平面超透镜结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，其特征在于，该平面超透镜包括下层的金属基底层，中层的电介质层，上层的石墨烯超表面层，所述石墨烯超表面层和所述金属基底层之间还设有用以调控所述石墨烯超表面层费米能的偏置电压装置；所述石墨烯超表面层上开设有镂空的大小尺寸相同的矩形孔阵列，以改变反射波的相位、强度和极化方式；所述矩形孔阵列在其所在的x‑y平面内以周期c排列分布，所述周期是指相邻两个矩形孔几何中心在二维轴上的距离，沿y轴方向的列矩形孔相对x轴的旋转角与沿x轴方向的行矩形孔相对x轴的旋转角配合设置，用以实现超透镜对反射圆极化波的聚焦功能。

【技术特征摘要】
1.基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，其特征在于，该平面超透镜包括下层的金属基底层，中层的电介质层，上层的石墨烯超表面层，所述石墨烯超表面层和所述金属基底层之间还设有用以调控所述石墨烯超表面层费米能的偏置电压装置；所述石墨烯超表面层上开设有镂空的大小尺寸相同的矩形孔阵列，以改变反射波的相位、强度和极化方式；所述矩形孔阵列在其所在的x-y平面内以周期c排列分布，所述周期是指相邻两个矩形孔几何中心在二维轴上的距离，沿y轴方向的列矩形孔相对x轴的旋转角与沿x轴方向的行矩形孔相对x轴的旋转角配合设置，用以实现超透镜对反射圆极化波的聚焦功能。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，其特征在于，任一行矩形孔的矩形孔数目均为2n或2n+1，每行由中心向左或向右排列的矩形孔相对x轴的旋转角均依次增加，以实现反射波相对入射波相位的变化，每行中心左侧的矩形孔与每行中心右侧的矩形孔关于每行的中心成点对称分布。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜，其特征在于，任一列矩形孔中每一个矩形孔相对x轴的旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁佩，麻华丽，朱双美，李明玉，段向阳，曾凡光，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：河南,41