一种基于石墨烯等离子体共振的太赫兹偏振转换器

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，特别是太赫兹偏振光转换的装置及其制备方法。

背景技术

太赫兹波，Terahertz简写为THz，1THz＝10

超材料指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料或者人工复合材料，例如让光、电磁波改变它们的通常性质。超材料的特殊性质取决于其精密的几何结构以及尺寸大小，通过对结构的设计及对参数的优化，可以实现超常的电磁特性如负折射率等。

在现有的技术中，太赫兹偏振转换器主要有以下两种方法。第一种是金属阵列形成的超材料结构，这种结构由于金属材料的不可调谐，使得应用很局限。第二种是反射式的结构[ACS Photonics 5.11(2018):4283-4288]，反射式偏振转换需要将偏振转换装置集成到光电探测器和成像传感器上，而这种集成工艺较为困难，光学系统也较为复杂，不适于实验中测试。因此，亟待开发一种透射型的太赫兹波段偏振转换结构，由于石墨烯的可调谐性以及石墨烯等离子体共振发生在太赫兹波段，可以选择石墨烯作为结构的材料以实现偏振转换的目的。

发明内容

针对现有的太赫兹偏振转换器的不足或改进需求，本发明提出了一种太赫兹波段的偏振转换器，其目的在于应用石墨烯等离子体共振工作的方式实现线偏振光到圆偏振光、椭圆偏振光的转换，且结构较为简单，易于加工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于矩形阵列结构的可调太赫兹超材料偏振转换器，包括至少两层介质层和至少两层石墨烯图案层组成的结构，每层介质层上设有一层石墨烯图案层，所述的介质层位于底部，组成复合层，多层复合层上下平行叠加。

两介质层的间距优选为2μm。

介质层采用介电常数为1.4的二氧化硅，石墨烯图案层由矩形结构的周期性阵列排列而成，采用的是超材料，每个矩形结构由栅压调节费米能级；周期用T(或相邻两矩形结构相邻边之间的距离)表示，长度或/和宽度用w表示，介质厚度d＝3μm，费米能级用EF表示，每一层矩形超结构单元T＝20μm，且矩形超材料结构单元的长度、宽度均为10-18μm，费米能级调节范围为E

本发明所述的太赫兹偏振转换器具有图形结构设计简单、只需要湿法转移石墨烯，易于实验集成与测试，在共振位置附近相位突变可调谐等优点，可用于太赫兹波的偏振转换。

本发明所述的太赫兹偏振转换器，可以用公式

附图说明

图1是本发明提出的基于石墨烯等离子体共振的太赫兹偏振转换器的整体结构示意图；

图2是本发明提出的基于石墨烯等离子体共振的太赫兹偏振转换器的单元结构示意图；

图3是该太赫兹转换器两层之间x、z方向透射谱中透射率与频率的函数关系图，“1”中实线代表第一层x方向产生的共振，虚线代表第二层z方向产生的共振；“2”中实线代表第二层x方向产生的共振，虚线代表第一层z方向产生的共振；

图4是该太赫兹转换器两层之间x、z方向相位与频率的函数关系图，对应图3，第一个相位差突变与图3中“1”相对应，同样记为“1”，表示第一层x方向在共振频率附近产生的相位大于第二层z方向在共振频率附近产生的相位；第二个相位差突变记为“2”，表示第一层z方向在共振频率附近产生的相位大于第二层x方向在共振频率附近产生的相位；

图5是图4中“1”情况下的出射光，即第一层石墨烯共振引起的x方向相位大于由第二层石墨烯共振引起的z方向相位的右旋圆偏振光；

图6是图4中“2”情况下的出射光，即第一层石墨烯共振引起的z方向相位大于由第二层石墨烯共振引起的x方向相位的左旋圆偏振光；

图中标记，其中：1为二氧化硅介质层；2为石墨烯图案层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

一种基于矩形石墨烯阵列结构的太赫兹偏振转换器，如图1、2所示，包括衬底层和石墨烯图案层。所述衬底层为介电常数为1.4的二氧化硅衬底，其厚度d＝3μm，图案层为石墨烯，其厚度d

太赫兹偏振转换器的表现可通过FDTD Solutions电磁仿真的计算结果中得到，当偏振方向与x轴成45°(以在x-z面内与x、z正半轴夹角为45°线偏振光垂直入射)的线偏振光正入射到结构表面时，其出射光偏振态如图3所示。通过合理优化设计太赫兹偏振转换器的参数，使x、z方向的相位差为+90°附近，出射光为右旋圆偏振光，且经过计算出射圆偏振光的长短轴比为1.18；使x、z方向的相位差为-90°附近，出射光为左旋圆偏振光，且经过计算出射圆偏振光的长短轴比为1.52。这样线偏振光通过器件后转换成右或左旋偏振光，并且圆偏振光的长短轴比接近1，转换程度较好。