一种基于石墨烯-VO2波导的磁光-热光调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法


[0001]本专利技术涉及IF位移调控
，尤其是涉及一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法。

技术介绍

[0002]光自旋霍尔效应(Photonic spin Hall effect，PSHE)是指线偏振光在经过非均匀介质时，在介质折射率梯度扮演的外场作用下，自旋相反的光子沿垂直于折射率梯度的方向朝相反方向分离，导致光束分裂成两束圆偏振光，包括左旋圆偏振光(LHCP)和右旋圆偏振光(RHCP)，这两束光分居在垂直于入射面的截面两侧。也被称为Imbert
‑
Fedorov(IF)效应，其本质是一种由自旋
‑
轨道相互作用引起的与光子自旋轨迹相关的物理现象。
[0003]IF位移通常只有波长的几分之一，对其进行调控与放大是目前重点研究方向。一方面，可以通过改变介质的材料及结构实现IF位移的放大。另一方面，也可以通过磁场、电场、温度等外场的改变对IF位移实现灵活调控。例如，利用单层石墨烯在太赫兹波段出色的磁光特性，可以实现IF位移的磁场调控。而VO2作为一种典型的相变材料，在外部光激发、热激发或电激发的作用下，可发生从单斜相到四方相的结构转变，也就是从绝缘态转变到金属态，其相变温度大约为68℃(340K)，也可实现IF位移的高效调控。目前，很多研究人员已经利用石墨烯或VO2做了许多相关工作。但将石墨烯与VO2结合针对IF位移的研究尚未报道。<br/>[0004]除了外场调节，不同的入射光束模式也会对IF位移产生较大影响。以往IF位移研究所涉及的光束模式主要为传统高斯光束，与传统高斯光束相比，拉盖尔
‑
高斯(Laguerre
–
Gaussian beam,LG beam)光束携带有螺旋相位，将对光子轨道角动量产生影响，进而使IF位移发生变化。2019年，Long等人通过仔细选择预选和选后状态，证明了空气棱镜界面处微小OAM引起的IF位移和GH位移的弱值放大并证明放大的光束偏移随入射OAM线性变化。2019年，Lin等人研究了棱镜、氧化铟锡结构中LMR被激发时高阶拉盖尔
‑
高斯(LG)光束的IF位移。2021年，Liu系统地研究了PT对称超材料界面处一阶LG光束的非对称IF位移。以上研究仅仅是分析光学材料或结构的本征特性对LG光束IF位移的影响，并未额外施加磁场、热场等物理场进行动态调制，相关物理机制和调控效果仍有待探索。
[0005]因此，提供一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控的方法，来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，实现了磁场和温度对IF位移的有效调制，结构中VO2独特的相变特性，实现了温度对IF位移的有效调控，为开发高灵敏度的光学传感器，实现磁场、温度等参数的灵敏检测提供了新途径。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，1.一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0008]S1：引入拉盖尔
‑
高斯光束，光束是不同角谱分量的平面波的叠加，每个角谱分量与光的传输轴形成夹角；
[0009]S2：线偏振光束在介质的界面处发生折射和反射时，不同角谱分量的相位和偏振将发生不同的改变，使线偏振光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量相互分离；
[0010]S3：计算线偏振拉盖尔
‑
高斯光束的角谱分量；
[0011]S4：通过平面波角谱分析法，通过边界性连续条件建立入射光束和反射光束角谱分量之间的关系；
[0012]S5：计算实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量，对反射光角谱分量积分，进行傅里叶变换得到反射光束电场分布表达式，利用几何光学原理求得光场重心，得到反射光中自旋分量的横向位移；
[0013]S6：通过Drude模型描述太赫兹波段的石墨烯及VO2介电张量矩阵；
[0014]S7：通过转移矩阵法建立光束在同一介质中及不同介质间的传输模式，计算结构的反射系数；
[0015]S8：代入IF位移公式，实现对拉盖尔
‑
高斯光束的IF位移仿真。
[0016]优选的，在步骤S3中，线偏振拉盖尔
‑
高斯光束的角谱分量为：
[0017][0018]其中，l表示入射光的轨道角动量，s
l
＝sign(l)表示l的符号函数，其值为“+”与
“‑”
，ω0为束腰半径，k
x
和k
y
分别表示入射光束在x和y方向上的波矢分量。
[0019]优选的，在步骤S4中，入射光束和反射光束角谱分量之间的关系式为：
[0020][0021]其中，和分别为H偏振光的入射角谱与反射角谱，和分别为V偏振光的入射角谱与反射角谱，R为入射角谱与反射角谱之间关系的传输矩阵；
[0022][0023][0024][0025][0026]上式中，r
pp
、r
ss
、r
sp
、r
ps
表示反射系数，θ
i
为入射角，r
′
pp
是r
pp
的一阶导数，r
′
ss
是r
ss
的一阶导数，r
′
sp
是r
sp
的一阶导数，r
′
ps
是r
ps
的一阶导数。
[0027]优选的，在步骤S5中，实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量表达式为：
[0028][0029][0030]反射光中自旋分量的横向位移δ
±
表示为：
[0031][0032]式中，为光场分布的共轭表达式，dxdy表示x和y的二重积分。
[0033]优选的，在步骤S6中，石墨烯介电张量矩阵表示为：
[0034][0035]其中，ε
xx
表示石墨烯的有效介电常数对角元，ε
xy
表示石墨烯的有效介电常数非对角元；
[0036][0037]上述公式中，ω为入射光束的角频率，ε0为真空介电常数，t
g
为结构中石墨烯的厚度，石墨烯的对角光电导张量σ
xx
与非对角元光电导张量σ
xy
定义为：
[0038][0039][0040]式中，E
f
为石墨烯的有效费米能级，为约化普朗克常量，τ＝0.2
×
10...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：引入拉盖尔
‑
高斯光束，光束是不同角谱分量的平面波的叠加，每个角谱分量与光的传输轴形成夹角；S2：线偏振光束在介质的界面处发生折射和反射时，不同角谱分量的相位和偏振将发生不同的改变，使线偏振光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量相互分离；S3：计算线偏振拉盖尔
‑
高斯光束的角谱分量；S4：通过平面波角谱分析法，通过边界性连续条件建立入射光束和反射光束角谱分量之间的关系；S5：计算实际光束的左旋与右旋偏振角谱分量，对反射光角谱分量积分，进行傅里叶变换得到反射光束电场分布表达式，利用几何光学原理求得光场重心，得到反射光中自旋分量的横向位移；S6：通过Drude模型描述太赫兹波段的石墨烯及VO2介电张量矩阵；S7：通过转移矩阵法建立光束在同一介质中及不同介质间的传输模式，计算结构的反射系数；S8：代入IF位移公式，实现对拉盖尔
‑
高斯光束的IF位移仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，其特征在于：在步骤S3中，线偏振拉盖尔
‑
高斯光束的角谱分量为：其中，l表示入射光的轨道角动量，s
l
＝sign(l)表示l的符号函数，其值为“+”与
“‑”
，ω0为束腰半径，k
x
和k
y
分别表示入射光束在x和y方向上的波矢分量。3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯
‑
VO2波导的磁光
‑
热光调控方法，其特征在于：在步骤S4中，入射光束和反射光束角谱分量之间的关系式为：其中，和分别为H偏振光的入射角谱与反射角谱，和分别为V偏振光的入射角谱与反射角谱，R为入射角谱与反射角谱之间关系的传输矩阵；射角谱与反射角谱，R为入射角谱与反射角谱之间关系的传输矩阵；射角谱与反射角谱，R为入射角谱与反射角谱之间关系的传输矩阵；
上式中，r
pp
、r
ss
、r
sp
、r
ps
表示反射系数，θ
i
为入射角，r
′
pp
是r
pp
的一阶导数，r

【专利技术属性】
技术研发人员：罗莉，王宇婷，李杰，杨定宇，彭穗，刘波，吴文娟，潘雨东，王灵之，刘肖，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：