CN117855877A - 一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，属于THz波段金属与石墨烯相结合的光学超材料技术领域，该可调谐THz吸收器由若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元组成，取所述结构单元的几何中心为O点，过该点的沿水平和竖直方向的两条相互垂直的边为OX轴和OY轴，且垂直于两条边的为OZ轴，每个所述结构单元均由下层的金属板、中间衬底层以及附着在所述中间衬底层上的两条石墨烯片和位于上层的L型金属单元组成。本发明采用上述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，具有制作简单，可调谐，双波段范围，自旋选择吸收效率高，应用场景广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及THz波段金属与石墨烯相结合的光学超材料技术领域，尤其是涉及一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器。
背景技术
太赫兹(THz)波(0.1-10THz)位于微波和红外光波之间，具有光子能量低、穿透性强、带宽宽、成像分辨率高等优点，引起了研究人员的极大兴趣。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测方法，人们对该波段的电磁性质的研究是有限的，因此被称为“太赫兹空隙”，随着超快激光技术和新材料的迅速发展，使太赫兹的产生和探测问题得到了有效的解决，太赫兹科学技术得到了蓬勃的发展，在检测、成像和无线通信等多个应用领域取得了***成果。其中吸收器在太赫兹应用设备中扮演着重要角色，但传统天然材料对太赫兹波的电磁响应较弱，很难实现对太赫兹波的高效吸收。超材料(Metamaterials)的出现解决了这一问题。2008年，Tao等人提出了第一代太赫兹超材料吸收器，该吸收器在1.3THz时的谐振吸收率高达70％。随后，双波段、多波段和宽带超材料吸收器相继问世，为太赫兹超材料吸收器的发展开辟了广阔的前景。
超材料是人工制造的亚波长周期性结构，这里的“亚波长”是指其结构尺寸小于外部光刺激的波长。1999年Walser首次提出了超材料，在超材料研究初期，主要是在微波区域实现一些电磁特性，如负折射率和完美透镜等。在第一个位于微波区的完美超材料吸收器被Landy等人提出后，用于电磁波吸收的超材料因此备受关注，但是所设计的大多数超材料吸收器只适用于线性偏振波，很少适用于圆偏振波。随着超材料的发展，具有手性特征的超材料引起了人们的注意，因为具有手性特征的超材料不仅能操纵线性偏振波还能操纵圆偏振波。手性指的是一个物体缺乏镜面对称性，不能通过平移或旋转与其镜像结构重合。通过人工设计将手性引入到超材料吸收器结构的设计中就能够获得缺乏镜像对称性的手性超材料吸收器。由于手性超材料吸收器对右旋圆偏光(RCP)与左旋圆偏振光(LCP)的吸收率不同，因此可以实现对圆偏振光的选择性吸收即自旋选择吸收。同时自旋选择吸收效应可以用圆二色性(CD)值来表示，圆二色性值被定义为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的吸收差值。近年来，人们在从微波到光学区域的频谱范围内提出了各种手性超材料吸收器。2016年，Wang等人通过结合两层各向异性超材料结构，设计出了一种工作在中红外区域的圆二色性超镜，这种超镜对左旋圆偏振光表现出完美的反射率，而不反转其偏振方向，同时它完全吸收右旋圆偏振光。2017年，Tang等人提出了一种η型超材料结构，这种结构能够在可见光频段实现双带自旋选择吸收，最大吸收率超过了80％且圆二色性值约为0.5。2018年，OuYang等人提出了一种近红外手性等离子体超表面吸收器，它能够在单一频带内实现对右旋圆偏振光的吸收，它的镜像结构能够实现在单一频带内对左旋圆偏振光的吸收，最大吸收率为87％，最大圆二色性值约为70％。2019年，Wang等人提出了一种I型手性选择性超材料吸收器，在两个共振频段内能够对左旋圆偏振光实现强烈的吸收，吸收率分别达到95.18％和91.77％，但在两个频段内几乎不吸收右旋圆偏振光，从而产生了显著的圆二色性。2022年，Tang等人设计并演示了具有双波段选择性吸收的中红外手性超表面吸收器，其对圆偏振光吸收的可调谐性是通过顶部金属层的两个耦合矩形条的独特设计实现的，可以通过调整垂直矩形条的宽度和长度来控制和翻转每个波段的圆二色性符号。2022年，Tao等人提出了两种工作在太赫兹区域并且具有强圆二色性的双波段自旋选择吸收超表面，第一种可以在两个波段吸收圆偏振波的相同自旋态，第二种在第一个波段吸收圆偏振波的一种自旋态，在第二个波段吸收与第一个波段自旋态正交的自旋态。从手性超材料吸收器的研究中可以看出，太赫兹手性超材料吸收器尚未得到广泛研究。因此，研究设计能够在太赫兹范围内实现圆偏振波选择和传播控制的自旋选择吸收超材料结构对于许多应用是至关重要的，例如全息成像、生物分子检测和CD光谱。
上述提出的手性超材料只能通过调整结构的大小来调节吸收，这降低了实际应用的适用性。为了实现可调谐吸收，一种新型材料石墨烯被引入到了超材料的设计中。石墨烯是由紧密排列的扁平单层碳原子组成的一种二维蜂窝状晶格，于2004年首次通过石墨剥离获得，偏压或光激发石墨烯的电磁特性由自由载流子的Drude式电响应以及狄拉克锥的低带和高带之间的带间跃迁决定，通过控制费米能级这两者都是可调的，从而使这种材料制成的电磁结构具有前所未有的可调性。最近，人们报道了不同的基于石墨烯的可调谐超材料。He等人提出了一种石墨烯超材料，并对其在太赫兹区域的电磁诱导透明(EIT)窗口的主动调谐进行了数值演示。Yuan等人报道了一种全石墨烯介质太赫兹超材料吸收器/反射器，其吸收带宽和吸收率可以通过施加偏置电压调节图案化石墨烯的费米能级来调节。Tao等人介绍了一种具有强圆二色性的可调谐双波段太赫兹非对称传输(AT)超表面，它可以在太赫兹频段实现双波段AT效应，并具有很强的CD效应，在两个波段中偏振波能够被转化为它的交叉偏振波。因此，石墨烯是可调谐器件的良好候选材料，在设计的手性超材料结构上附加上石墨烯层就能够实现具有可调性的自旋选择超材料吸收器，这种具有可调性自旋选择吸收器的研究可能会为手性传感、成像、信息加密和隐藏等新兴太赫兹技术中的各种手性相关应用提供广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，具有制作简单，可调谐，双波段范围，自旋选择吸收效率高，应用场景广泛等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，该可调谐THz吸收器由若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元组成，取所述结构单元的几何中心为O点，过该点的沿水平和竖直方向的两条相互垂直的边为OX轴和OY轴，且垂直于两条边的为OZ轴，每个所述结构单元均由下层的金属板、中间衬底层以及附着在所述中间衬底层上的两条石墨烯片和位于上层的L型金属单元组成，所述的双波段自旋选择吸收是指能够在两个频段内分别实现对右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的选择性吸收，其中右旋圆偏振光与左旋圆偏振光属于圆偏振光的两种自旋态，所述附着的石墨烯片使得在不改变结构参数的情况下实现了对自旋选择吸收效率的调控。
优选的，在所述结构单元的两侧附加有与所述石墨烯片的两端相连的电极。
优选的，所述L型金属单元由沿OX轴方向分布的三组金属棒组合构成，三组金属棒组合的长度都不相同，但厚度和宽度都相同；
第一组金属棒组合由第一金属棒与第二金属棒组成，第二组金属棒组合由第三金属棒与第四金属棒组成，第三组金属棒组合由第五金属棒与第六金属棒组成；每一组金属棒组合中的金属棒都是相互垂直的，所述第一组金属棒组合与第二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度一致，所述第三组金属棒组合与第一、二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度不一致；所述L型金属单元的所述第二组金属棒组合中的第四金属棒与第三组金属棒组合中的第五金属棒的夹角记为θ。
优选的，所述夹角θ的调节范围为92°-112°。
优选的，所述θ＝102°。
优选的，所述金属板与中间衬底层的长和宽分别为px＝py＝310um，所述金属板的厚度t＝18um，所述中间衬底层的厚度d＝75um，所述L型金属单元的宽度w＝12um，厚度h＝18um；其中，所述第一组金属棒组合中的所述第一金属棒的长度L1＝185um、所述第二金属棒的长度L2＝149um，所述第二组金属棒组合中的所述第三金属棒的长度L3＝155um、所述第四金属棒的长度L4＝157um，所述第三组金属棒组合中的所述第五金属棒的长度L5＝147um、所述第六金属棒的长度L6＝170um，所述第一组金属棒组合和第二组金属棒组合的间距m＝37um，两条所述石墨烯片的宽度wg＝5um，它们之间的间距b＝35um。
优选的，所述中间衬底层为二氧化硅衬底。
优选的，所述L型金属单元与金属板均为金质材质。
优选的，所述结构单元具有手性特征。
因此，本发明采用上述一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器的有益效果如下：
(1)该THz吸收器能够实现对圆偏振光双波段完美自旋选择吸收，即在0.28THz波段，圆偏振光沿OZ轴正方向射入该材料时，RCP能够被完美吸收，但几乎不吸收LCP；在0.35THz波段，圆偏振光沿OZ轴正方向射入该材料时，LCP能够被完美吸收，但几乎不吸收RCP。
(2)该THz吸收器具备可调谐性，通过改变石墨烯的费米能级能够在不改变结构参数的情况下实现对自旋选择吸收效率的调控。
(3)通过改变每组金属棒组合中金属棒的长度、宽度、厚度以及二氧化硅衬底的厚度和金属棒的旋转角度，能够满足不同环境下实际应用中对自旋选择吸收的效率以及波段等的要求，应用场景广泛。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实施例中可调谐THz吸收器的三维结构示意图；
图2为本实施例中结构单元的三维结构示意图；
图3为结构单元的主视图；
图4(a)和(b)分别为本实施例中圆偏振光沿OZ轴正方向入射到THz吸收器时得到的反射谱图和吸收谱图；
图5(a)和(b)分别为本实施例中随石墨烯费米能级变化的RCP吸收谱和RCP峰值、峰频率的变化图；
图6(a)和(b)分别为本实施例中随石墨烯费米能级变化的LCP吸收谱和LCP峰值、峰频率的变化图；
图7(a)和(b)分别为本实施例中圆偏振光沿OZ轴正方向入射到THz吸收器时得到的CD谱和随石墨烯费米能级变化的CD谱；
图8(a)和(b)分别为本实施例中夹角θ变化时THz吸收器对RCP和LCP的吸收谱。
附图标记
1、金属板；2、中间衬底层；3、石墨烯片；4、L型金属单元；5、电极；6、第一金属棒；7、第二金属棒；8、第三金属棒；9、第四金属棒；10、第五金属棒；11、第六金属棒。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，该可调谐THz吸收器由若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元组成，取结构单元的几何中心为O点，过该点的沿水平和竖直方向的两条相互垂直的边为OX轴和OY轴，且垂直于两条边的为OZ轴。结构单元具有手性特征，每个结构单元均由下层的金属板1、中间衬底层2以及附着在中间衬底层2上的两条石墨烯片3和位于上层的L型金属单元4组成，在周期性结构单元两侧附加两片电极5与石墨烯片3的两端相连。
如图2所示，L型金属单元4由沿OX轴方向分布的三组金属棒组合构成，三组金属棒组合的长度都不相同，但厚度和宽度都相同。其中，第一组金属棒组合由一根第一金属棒6与一根第二金属棒7组成，第二组金属棒组合由一根第三金属棒8与一根第四金属棒9组成，第三组金属棒组合由一根第五金属棒10与一根第六金属棒11组成，且每一组金属棒组合中的两根金属棒都是相互垂直的。
第一组金属棒组合与第二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度一致，第三组金属棒组合与第一、二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度不一致。L型金属单元4的所述第二组金属棒组合中的第四金属棒9与第三组金属棒组合中的第五金属棒10的夹角记为θ。旋转第三组金属棒组合，夹角θ的调节范围为92°-112°。当夹角θ＝102°时，对圆偏振光的自旋选择吸收率是最优的。
需要说明的是，结合图2，结构单元中，中间衬底层2为二氧化硅衬底，二氧化硅衬底介于上层的L型金属单元4与下层的金属板1之间，且L型金属单元4与金属板1均为金质材质。
本实施例中，结合图2与图3，结构单元中金属板1与中间衬底层2的长和宽分别为px＝py＝310um，金属板1的厚度t＝18um，中间衬底层2的厚度d＝75um，L型金属单元4的宽度w＝12um，厚度h＝18um。其中，第一组金属棒组合中的第一金属棒6的长度L1＝185um、第二金属棒7的长度L2＝149um，第二组金属棒组合中的第三金属棒8的长度L3＝155um、第四金属棒9的长度L4＝157um，第三组金属棒组合中的第五金属棒10的长度L5＝147um、第六金属棒11的长度L6＝170um，第一组金属棒组合和第二组金属棒组合的间距m＝37um，两条石墨烯片3的宽度wg＝5um，它们之间的间距b＝35um。
进一步的，本发明可采用微纳加工技术(如电子束曝光，聚焦离子束等方法)进行制备。聚焦离子束技术(FIB)能够利用具有聚焦功能的透镜将离子束加速聚焦成很小尺寸的光斑，使离子束具有非常高的能量并与固体发生碰撞，将组成固体的原子层溅射剥离。利用聚焦离子束技术可以实现成像，刻蚀，沉积薄膜，离子束注入，透射电镜样品的制备等功能。以聚焦离子束刻蚀为例，在二氧化硅衬底2的上层和下层沉积金属薄膜，在上层依次刻蚀出第一组金属棒组合的第一金属棒6和第二金属棒7、第二组金属棒组合的第三金属棒8和第四金属棒9、第三组金属棒组合的第五金属棒10和第六金属棒11，形成上层的L型金属单元4，在下层沉积的金属薄膜形成金属板1。
另外，本发明的THz吸收器能够在两个频段内分别实现对右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的完美选择性吸收，即实现双波段完美自旋选择吸收。由于沿着OZ轴正方向入射的圆偏振光入射到L型金属单元4时能够引起局域表面的强磁耦合共振效应，并且在共振频率下反射谱表现为共振谷。为了实现THz吸收器对圆偏振光的自旋选择性吸收，将这种THz吸收器设置为L型金属单元4构成的周期性结构。即当RCP和LCP沿+Z方向入射时，入射光首先与上层的L型金属单元4相互作用，其中RCP与L型金属单元4相互作用时，引起最右侧的第二组金属棒组合与第三组金属棒组合之间的强磁耦合共振表现为反射谷，而LCP与L型金属单元4相互作用时，引起最左侧的第一组金属棒组合与第二组金属棒组合之间的强磁耦合共振表现为反射谷，并且由于下层金属板1的存在，入射光不能透过该结构，因此透射率为0，即T＝0，又根据吸收与透反射之间的关系A＝1-R-T进一步得出A＝1-R。结合图4(a)的模拟实验结果得出的反射谱，再根据右旋圆偏振光的吸收公式ARCP＝1-rRR 2-rLR 2和左旋圆偏振光的吸收公式ALCP＝1-rLL 2-rRL 2计算得出的吸收谱如图4(b)所示，在0.28THz波段RCP被完美吸收，而LCP几乎不被吸收，而在0.35THz波段LCP被完美吸收，RCP几乎不被吸收，从而在0.28THz和0.35THz两个波段实现了对圆偏振光的完美自旋选择吸收。
为了更好地适用于实际应用，发明人在THz吸收器结构的中间层二氧化硅衬底上方附接了两条平行于X轴的石墨烯片3，通过改变外加电压Vg调控石墨烯的费米能级来调谐自旋选择吸收的效率，结合图5和图6可以看出，随着石墨烯的费米能级从0eV增大到0.8eV，吸收效率峰值从0.99降低到0.7左右，吸收峰频率基本保持不变或变化很小。该发明中THz吸收器的结构设置，不仅实现了对圆偏振光的自旋选择吸收，还能够对自旋选择吸收率进行调谐。该THz吸收器具有制作简单，可调谐，双波段范围，自旋选择吸收效率高，应用场景广泛等优点。
本实施例中，为了更好地了解沿+Z方向入射的圆偏振光自旋选择吸收的情况，图7给出了圆二色性值：CD＝ARCP-ALCP。结合图7(a)，经过计算得出，在0.28THz波段，圆二色性值约为0.85，在0.35THz波段圆二色性值约为-0.86，具有显著的圆二色性。结合图7(b)，通过调控石墨烯的费米能级也可以调控圆二色性的值，随着石墨烯的费米能级从0eV增大到0.8eV,圆二色性的绝对值从0.8降低到0.26左右。
本实施例中，取上层L型金属单元4中的三组金属棒组合沿OX轴方向布置，首先让第一组金属棒组合沿OZ轴逆时针旋转40°，再沿OX轴负方向平移142um；其次让第二组金属棒组合沿OZ轴逆时针旋转40°，再沿OX轴负方向平移105um；最后，让第三组金属棒组合沿OZ轴顺时针方向旋转38°，再沿OX轴正方向平移142um。此时，第二组金属棒组合的第四金属棒和第三组金属棒组合的第五金属棒之间的夹角θ＝102°，THz吸收器达到的自旋选择吸收效果是最优的。结合图8可以看出，当改变第三组金属棒组合的旋转角度时，THz吸收器对圆偏振光的自旋选择吸收效果会发生很大的变化，尤其是当夹角θ＝92°即第三组金属棒绕OZ轴顺时针旋转48°时，在两个共振波段内都表现出对LCP的强烈吸收，几乎不吸收RCP，当夹角θ＝97°时，在0.28THz共振波段处，出现了对RCP和LCP的不同程度的吸收，在0.35THz共振波段，仅出现了对LCP的强烈吸收。当夹角θ从102°变化到112°时，第一个共振波段频率出现了轻微的蓝移，且RCP吸收峰值略微下降，第二个共振波段频率保持不变，且LCP吸收峰值基本保持不变。因此，通过调整第三组金属棒组合绕OZ轴的旋转角度可以在两个共振波段下得到不同的自旋选择吸收效果，能够满足实际应用中对自旋选择吸收的圆偏振光的偏振态要求。
因此，本发明采用上述一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，具有制作简单，可调谐，双波段范围，自旋选择吸收效率高，应用场景广泛等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，该可调谐THz吸收器由若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元组成，取所述结构单元的几何中心为O点，过该点的沿水平和竖直方向的两条相互垂直的边为OX轴和OY轴，且垂直于两条边的为OZ轴，其特征在于：每个所述结构单元均由下层的金属板(1)、中间衬底层(2)以及附着在所述中间衬底层上的两条石墨烯片(3)和位于上层的L型金属单元(4)组成。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：在所述结构单元的两侧附加有与所述石墨烯片(3)的两端相连的电极(5)。
3.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述L型金属单元(4)由沿OX轴方向分布的三组金属棒组合构成，三组金属棒组合的长度都不相同，但厚度和宽度都相同；
第一组金属棒组合由第一金属棒(6)与第二金属棒(7)组成，第二组金属棒组合由第三金属棒(8)与第四金属棒(9)组成，第三组金属棒组合由第五金属棒(10)与第六金属棒(11)组成；每一组金属棒组合中的金属棒都是相互垂直的，所述第一组金属棒组合与第二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度一致，所述第三组金属棒组合与第一、二组金属棒组合绕OZ轴旋转的角度不一致；所述L型金属单元(4)的所述第二组金属棒组合中的第四金属棒(9)与第三组金属棒组合中的第五金属棒(10)的夹角记为θ。
4.根据权利要求3所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述夹角θ的调节范围为92°-112°。
5.根据权利要求4所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：对圆偏振光的自旋选择吸收率最优的所述夹角θ＝102°。
6.根据权利要求3所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述金属板(1)与中间衬底层(2)的长和宽分别为px＝py＝310um，所述金属板(1)的厚度t＝18um，所述中间衬底层(2)的厚度d＝75um，所述L型金属单元(4)的宽度w＝12um，厚度h＝18um；其中，所述第一组金属棒组合中的所述第一金属棒(6)的长度L1＝185um、所述第二金属棒(7)的长度L2＝149um，所述第二组金属棒组合中的所述第三金属棒(8)的长度L3＝155um、所述第四金属棒(9)的长度L4＝157um，所述第三组金属棒组合中的所述第五金属棒(10)的长度L5＝147um、所述第六金属棒(11)的长度L6＝170um，所述第一组金属棒组合和第二组金属棒组合的间距m＝37um，两条所述石墨烯片的宽度wg＝5um，它们之间的间距b＝35um。
7.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述中间衬底层(2)为二氧化硅衬底。
8.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述L型金属单元(4)与金属板(1)均为金质材质。
9.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段自旋选择吸收的可调谐THz吸收器，其特征在于：所述结构单元具有手性特征。
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