一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料及其应用制造技术

一种非对称双L型石墨烯结构的超材料，属于电磁诱导透明领域（EIT）。该结构由基底以及周期性排列的石墨烯层组成，其中石墨烯层单元结构包括两个大小不同的L型条带。本发明专利技术图形结构简单，通过合理设定单元结构的几何参数、石墨烯费米能以及基底的折射率等,可以有效地调节电磁诱导透明。并且EIT窗口处，该结构有着较高的群折射率指数以及较大的光谱色散，可以有效应用于传感器件，非线性光学以及集成光子器件等。

An Optical Material for Implementing Electromagnetically Induced Transparency of Asymmetric Double L-Graphene Structure and Its Application

A metamaterial with asymmetric double L-type graphene structure belongs to the field of electromagnetic induced transparency (EIT). The structure consists of a base and periodically arranged graphene layers, in which the graphene layer unit structure consists of two L-shaped bands of different sizes. The graphic structure of the invention is simple, and the electromagnetic induced transparency can be effectively adjusted by reasonably setting the geometric parameters of the unit structure, the graphene Fermi energy and the refractive index of the substrate. At the EIT window, the structure has a high group index of refraction and a large spectral dispersion, which can be effectively used in sensor devices, non-linear optics and integrated photonic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料及其应用
本专利技术属于超材料及电磁诱导透明
，具体涉及一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料及其应用。
技术介绍
石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型结构，呈蜂巢晶格的碳纳米材料，具有优异的光学性能，在微纳加工以及材料科学领域具有重要的应用前景，被认为是未来的一种革命性材料。石墨烯超材料等离子体器件近年来引起了世界各国的广泛关注。Miao等人在2015年首次对栅极电压控制的石墨烯超材料进行了研究，并在较大的太赫兹范围内实现了石墨烯的相位可调，利用石墨烯超材料与等离激元相结合可以实现电磁诱导透明(EIT)，即在外电磁场的作用下，对探测的电磁场呈现出透明或者不吸收的现象。在EIT效应下，量子干涉效应可以消除介质对光的吸收，其透明窗口处具有较大的光谱色散，表明在石墨烯超材料的耦合系统中，光脉冲的群速度明显变慢，显示出良好的慢光特性。此外，EIT还具有灵敏的折射率传感等电磁特性，在传感器件，非线性光学以及集成光子器件等方面有着更为广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料，同时提供其应用是本专利技术的又一专利技术目的。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料，由基底以及设置在基底上的石墨烯层组成，所述石墨烯层由在基底上的呈周期性排布的非对称双L型石墨烯结构单元组成。所述非对称双L型石墨烯结构单元包括两个大小不等的L型石墨烯条带，非对称双L型石墨烯结构单元沿xy轴的周期Px＝Py＝450nm，其中每个非对称双L型石墨烯结构单元的两个石墨烯条带长度L1＝200nm，L2＝160nm，两侧边长度L3＝120nm，宽度W＝60nm，两个L型石墨烯条带左端的横向起始间隔d＝60nm，纵向位移S＝60nm。所述的基底为二氧化硅，其折射率为1.5。所述的石墨烯层厚度为1nm。所述的实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料在传感器件、非线性光学以及集成光子器件上的应用。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：1)本专利技术的光学材料，属于石墨烯纳米超材料，由2个非对称双L型石墨烯结构单元呈二维模式，周期性排列在二氧化硅基底上，该光学材料结构简单，易于操作，并且该结构有着较高的群折射率指数以及较大的光谱色散。通过调控不同的几何参数或者费米能，可以有效的调节EIT透明窗口的大小以及共振峰的位置。如当费米能增大时，透射光谱发生明显的蓝移，其透射强度逐渐增强，且透明窗口也不断变大。而且通过改变费米能还能不断调节该结构的群折射率指数，其最优值可达586。2)本专利技术的光学材料在传感器件，非线性光学以及集成光子器件等方面具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构单元(a、b)以及整体结构(c)示意图；图2为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构单独L1和L2以及组个的单元结构的数值仿真透射谱；图3为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构透明窗口共振峰处的电场分布图；图4为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构的透射光谱与费米能之间的变化趋势图；图5本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构的透射光谱与基底折射率之间的变化趋势图，以及品质因数与基底折射率之间的变化趋势图；图6为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构的透射光谱与石墨烯条带长度之间的变化趋势图；图7为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构的费米能与群相位以及费米能与群延迟时间之间的变化趋势图；图8为本专利技术提出的非对称双L型石墨烯结构的费米能在共振频率处与群折射率指数之间的变化趋势图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。实施例1一种非对称双L型石墨烯结构的电磁诱导透明超材料，如图1所示，包括基底以及石墨烯层。所述的基底为二氧化硅，折射率为1.5，其厚度为200nm；石墨烯层的材料厚度为1nm。所述石墨烯层由在基底上的呈周期性排布的非对称双L型石墨烯结构单元组成，非对称双L型石墨烯结构单元包括两个大小不等的L型石墨烯条带，非对称双L型石墨烯结构单元沿xy轴的周期Px＝Py＝450nm，其中，每个非对称双L型石墨烯结构单元的两个石墨烯条带长度L1＝200nm，L2＝160nm，两侧边长度L3＝120nm，宽度W＝60nm，两个L型石墨烯条带左端的横向起始间隔d＝60nm，纵向位移S＝60nm。石墨烯的电导率采用Drude模型的面内电导率形式其中内在弛豫时间为τ＝μEf/eVf2，费米速度为vf＝c/300。模拟实验采用三维有限元多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics进行模拟。模拟时只需计算一个单元的非对称双L型石墨烯结构，通过在平面方向设置周期性边界来模拟无限大阵列结构。平面电磁波垂直于基底入射，电场入射方向沿x轴，在x、y轴方向采用周期性边界条件，z方向使用完美匹配层来消除在边界处的非物理反射。分别启用单个L型石墨烯条带以及组合非对称双L型结构，对应的透射光谱图网格划分设置为特别细化，然后再分别进行频域扫描并计算透射结果，从而获得对应的透射光谱。得到单个L型石墨烯条带以及组合非对称双L型结构的电场分布图如图3所示，可以看出模式b是两对偶级子相互作用产生的。1、单个L型石墨烯条带以及组合非对称双L型结构的电场分布结果图3为单个L型石墨烯条带以及组合非对称双L型结构的电场分布结果，可以看出模式b是两对偶级子相互作用产生的。2、费米能对非对称双L型石墨烯结构的透射谱的影响图4为不同费米能下，非对称双L型石墨烯结构的透射谱。随着石墨烯费米能的增加，透明窗口向高频方向移动，波峰的强度不断增加。因此该结构具有灵活的可调性，可以根据需要调节透明窗口的位置以及透射峰的大小。3、折射率对非对称双L型石墨烯结构的透射谱的影响图5为基底折射率不同时，非对称双L型石墨烯结构的透射谱。随着基底折射率增加，吸收峰的位置向低频方向移动。品质因子其中Δf/Δn为每折射率(RIU)变化下频率变化的大小。通过计算可以得出该结构最优的FOM为4.35。4、保持石墨烯条带的宽度W不变，分别改变其长度L1和L2大小对非对称双L型石墨烯结构的透射谱的影响如图6所示，保持石墨烯条带的宽度W不变，分别改变其长度L1和L2大小，非对称双L型石墨烯结构的透射谱中，对应的波谷1和波谷2分别出现红移，并且吸收强度均逐渐增大。5、非对称双L型石墨烯结构的费米能与群相位以及费米能与群延迟时间之间的变化趋势如图7所示，非对称双L型石墨烯结构对群相位和群延迟时间有着很大的影响。利用公式：可以计算出单元结构在不同费米能下透明窗口处的群相位和群延迟时间。其中，ω是角频率，通过结构单元透射波的位相得到结果如图7所示，随着费米能的增加，群延迟时间不断增加，最优值为3.25ps。6、非对称双L型石墨烯结构费米能与群折射率指数之间的变化趋势如图8所示，基于石墨烯的非对称双L型石墨烯结构对群折射率指数有着很大的影响。利用公式：可以计算出单元结构在不同费米能下共振频率处的群折射率指数，c0为真空中光速，vg本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料，其特征在于，由基底以及设置在基底上的石墨烯层组成，所述石墨烯层由在基底上的呈周期性排布的非对称双L型石墨烯结构单元组成。

【技术特征摘要】
1.一种实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料，其特征在于，由基底以及设置在基底上的石墨烯层组成，所述石墨烯层由在基底上的呈周期性排布的非对称双L型石墨烯结构单元组成。2.根据权利要求1所述的实现电磁诱导透明的非对称双L型石墨烯结构的光学材料，其特征在于，所述非对称双L型石墨烯结构单元包括两个大小不等的L型石墨烯条带，沿xy轴的周期Px=Py=450nm，其中每个非对称双L型石墨烯结构单元的两个石墨烯条带长度L1=200nm，L2=160nm，两侧边长度L3...

【专利技术属性】
技术研发人员：范春珍，任佩雯，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41