促进二次谐波产生的纳米结构及光谱调控方法技术

本发明专利技术涉及一种促进二次谐波产生的纳米结构及光谱调控方法，包括：纳米颗粒，所述纳米颗粒为径向各向异性的纳米颗粒；石墨烯，所述石墨烯包裹所述纳米颗粒；入射平面电磁波经所述石墨烯包裹的径向各向异性纳米颗粒调制，获得二次谐波。其二次谐波的辐射效率高，方便灵活调制。活调制。活调制。

【技术实现步骤摘要】
促进二次谐波产生的纳米结构及光谱调控方法


[0001]本专利技术涉及微纳光学
，尤其是指一种促进二次谐波产生的纳米结构及光谱调控方法。

技术介绍

[0002]二次谐波(SHG)是非线性材料中最简单的非线性光学过程之一，即两个基频光子以二倍频的形式转换成一个新的光子的非线性光学过程。SHG具有以下优点：信号稳定、相干性号、响应快、较强的极化灵敏度，因此在相干光源、材料和结构界面研究、传感、非线性成像等实际应用方面具有很高的应用价值。然而，实现高的非线性转换效率仍然是一个挑战。
[0003]增强SHG的途径有以下两种：1)增大非线性系数对于这种增强SHG的方法，通常可以采用非线性系数较大的材料以及具有更大非线性系数的人工合成非线性材料，如非线性双折射晶体铌酸锂(LiNbO3)、无机纳米材料GaAs、ZnO以及非线性超材料等。对于使用天然的非线性材料实现SHG增强的方法，其优点在于结构简单，取材方便；缺点是SHG增强的程度有限。而采用人工合成的非线性材料优点在于可以打破SHG增强程度的限制，但缺点是结构复杂。2)增强基频场E。对于这种增强SHG的方法，通常可以通过激发相应的共振模式来实现SHG的增强，其中包括表面等离激元共振(SPR)、Fano共振模式、Anapole模式、连续体中的束缚态(BIC)以及双共振模式。其优点在于可在更大程度上实现SHG的增强，结构简单，实验上容易实现，但其缺点在于工作频率带宽往往很窄。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中二次谐波产生效果不佳，工作频率带宽较窄的技术缺陷。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种促进二次谐波产生的纳米结构，包括：
[0006]纳米颗粒，所述纳米颗粒为径向各向异性的纳米颗粒；
[0007]石墨烯，所述石墨烯包裹所述纳米颗粒；
[0008]入射平面电磁波经所述石墨烯包裹的径向各向异性纳米颗粒调制，获得二次谐波。
[0009]作为优选的，所述纳米颗粒由两种不同的各向同性材料交替堆叠而成。
[0010]作为优选的，所述纳米颗粒的介电常数的张量形式其中，和分别是球坐标系下的三个基矢，ε
r
和ε
t
分别是纳米颗粒的介电常数的垂直和平行分量。
[0011]作为优选的，所述石墨烯的线性电导率其中，e是电荷，E
F
为石墨烯的费米能级，γ
g
是石墨烯的损耗率，为约化普朗克常数；
[0012]所述石墨烯的二阶非线性电导率其中，v
F
是石墨烯的费米速度，β为正比于基频ω下的模式波矢。
[0013]本专利技术公开了一种促进二次谐波产生及光谱调控方法，包括以下步骤：
[0014]S1、提供一种如上述的纳米结构；
[0015]S2、入射平面电磁波经所述纳米结构调制，产生二次谐波。
[0016]作为优选的，所述S2中：
[0017]入射平面电磁波其中ε0和μ0分别为真空中的介电常数和磁导率，E0为入射波场强，ω为基频。
[0018]作为优选的，所述S2包括：
[0019]所述纳米颗粒在入射平面电磁波的激发下，在空间中产生基频的散射场；
[0020]由于石墨烯的二阶非线性效应，在基频的散射场的作用下，所述纳米颗粒边界处产生二阶非线性电流源其中其中为二倍频下石墨烯界面处对应电场的切向分量，为包含异性参数的参量，为二倍频下石墨烯的线性电导率，ε
h
为背景介质的介电常数；为约化普朗克常数；i为虚数单位，e为电荷，ε
r
和ε
t
分别为纳米颗粒的介电常数的垂直和平行分量，v
F
为石墨烯的费米速度，E0为入射平面电磁波的场强，ω为基频；
[0021]二阶非线性电流源在空间中激发二次谐波场的产生，其中，纳米颗粒内部和外部空间中的二次谐波场分布分别为：
[0022][0023][0024]其中，为与异性参数相关的参数，Θ＝σ
g
/(iωR0ε0)和分别为基频和二倍频下与石墨烯电导率相关的参数，和分别为二倍频下各向异性纳米颗粒的切向和法向的介电常数分量，r为球坐标系下离纳米颗粒中心的距离，θ为球坐标系的角度分量。
[0025]作为优选的，所述S2之后包括：
[0026]S3、根据二次谐波场得到二次谐波的共振频率，和其中，是石墨烯的等离子体频率；
[0027]通过调控石墨烯的电导率以对纳米结构的线性及其非线性光谱的共振频率进行调制。
[0028]作为优选的，通过在石墨烯薄片上施加栅极电压来调控石墨烯的电导率。
[0029]作为优选的，还包括：通过增大纳米颗粒的径向各向异性参数以增强二次谐波。
[0030]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0031]1、本专利技术将三维的各向异性纳米体系即石墨烯包裹的径向各向异性纳米颗粒的二次谐波产生的理论推导方法从准静态理论拓展到了多级Mie理论。
[0032]2.本专利技术利用各向异性ENZ材料独特的电磁场分布特性，实现了高达5个数量级的二次谐波辐射效率的增强。
[0033]3.本专利技术利用石墨烯光学非线性特性的高度可调谐性，为灵活调制二次谐波非线性光谱提供了一种有效且方便的方法。
附图说明
[0034]图1为本专利技术纳米结构的示意图；
[0035]图2(a)为石墨烯包裹各向同性和各向异性纳米颗粒的SHG辐射效率；图2(b)为横截面θ＝π上，基频场的归一化强度FIE
FF
的对数值随入射频率的变化情况；
[0036]图3(a)为不同的各向异性参数η下，纳米颗粒内部并无限接近于颗粒界面处FF归一化场强FIE
FF
的对数值随入射频率的变化情况，图3(b)为各向异性情况下(E
F
＝0.25eV)，该纳米体系的FF坡印廷矢量S分布情况；
[0037]图4(a)不同的各向异性参数η下，纳米颗粒内部并无限接近于颗粒界面处SH归一化场强FIE
SH
的对数值随入射频率的变化情况，图4(b)为各向异性程度为η＝25时，该纳米体系的SHG坡印廷适量S分布情况；
[0038]图5(a)在各向异性参数η＝25时，纳米颗粒内部并无限接近于颗粒界面处FF归一化场强FIE
FF
的对数值随石墨烯的费米能级E
F
及入射频率的变化情况，图5(b)为在同样的各向异性参数η＝25时，纳米颗粒内部并无限接近于颗粒界面处SH归一化场强FIE
SH
的对数值随石墨烯的费米能级E
F
及入射频率的变化情况。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0040]参照图1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种促进二次谐波产生的纳米结构，其特征在于，包括：纳米颗粒，所述纳米颗粒为径向各向异性的纳米颗粒；石墨烯，所述石墨烯包裹所述纳米颗粒；入射平面电磁波经所述石墨烯包裹的径向各向异性纳米颗粒调制，获得二次谐波。2.根据权利要求1所述的促进二次谐波产生的纳米结构，其特征在于，所述纳米颗粒由两种不同的各向同性材料交替堆叠而成。3.根据权利要求1所述的促进二次谐波产生的纳米结构，其特征在于，所述纳米颗粒的介电常数的张量形式其中，和分别是球坐标系下的三个基矢，ε
r
和ε
t
分别是纳米颗粒的介电常数的垂直和平行分量。4.根据权利要求1所述的促进二次谐波产生的纳米结构，其特征在于，所述石墨烯的线性电导率其中，e是电荷，E
F
为石墨烯的费米能级，γ
g
是石墨烯的损耗率，为约化普朗克常数；所述石墨烯的二阶非线性电导率其中，v
F
是石墨烯的费米速度，β为正比于基频ω下的模式波矢。5.一种促进二次谐波产生及光谱调控方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提供一种如权利要求1
‑
4任一项所述的纳米结构；S2、入射平面电磁波经所述纳米结构调制，产生二次谐波。6.根据权利要求5所述的促进二次谐波产生及光谱调控方法，其特征在于，所述S2中：入射平面电磁波其中ε0和μ0分别为真空中的介电常数和磁导率，E0为入射波场强，ω为基频。7.根据权利要求6所述的促进二次谐波产生及光谱调控方法，其特征在于，所述S2包括：所述纳米颗粒在入射平面电磁波的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高雷，王成琳，高东梁，
申请(专利权)人：苏州城市学院，
类型：发明
国别省市：