基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件

摘要

本发明揭示了一种基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件，所述非线性元器件包括若干周期性分布的超构光栅，所述超构光栅包括金属基体，金属基体上设有若干周期性分布的凹槽，凹槽内填充有介质层，所述介质层上覆盖有周期性分布的石墨烯带，石墨烯带上分别施加有独立的电压以控制石墨烯带的化学势，进而实现非线性相位梯度。本发明在太赫兹域中基于石墨烯的非线性相位梯度超表面，提供了一种用于非线性波前控制的改进衍射定律，该定律能够突破NGSL的限制进行非线性波前控制；通过施加的电压合理调整石墨烯的化学势，实现了对非线性波的多功能控制，包括回射和光束控制等，从而实现非线性元器件的设计。

说明书

技术领域

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件。

背景技术

超表面由二维几何中的工程平面超原子组成，由于其具有强大的有效控制电磁波幅度、相位和极化的能力，近几十年来引起了人们的极大兴趣。通过设计亚波长元原子，已经提出了许多基于超表面的应用，包括分束器、全息成像、超透镜、奇偶相关衍射和角度不对称衍射等。最近，超表面的概念已扩展到非线性区域。它为研究非线性光学提供了一种范式，因为可以在超出体非线性介质限制的更紧凑的尺度上创建更强的非线性光学响应。

非线性超表面已经证明了典型的非线性效应，例如二次谐波生成(SHG)、三次谐波生成(THG)和四波混频(FWM)。局部场增强是通过各种共振机制在超表面范式中实现的，例如等离子超表面中的表面等离激元，高介电常数超表面中的Mie共振，以及连续介质中的束缚态(BICs)。即使物体的厚度很薄，光与非线性超表面之间的相互作用也可能非常强。因此，无需相位匹配条件即可获得低输入强度的高转换效率。尽管已经为非线性超表面付出了很多努力，但迄今为止，大多数报道的工作都集中在提高非线性光产生的效率上，很少有工作研究产生的非线性光的波前控制，即控制产生的非线性波的方向。使用传统方法，很难同时产生非线性光并控制其波前。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于石墨烯非线性超表面进行波前控制的非线性元器件，所述非线性元器件包括若干周期性分布的超构光栅，所述超构光栅包括金属基体，金属基体上设有若干周期性分布的凹槽，凹槽内填充有介质层，所述介质层上覆盖有周期性分布的石墨烯带，石墨烯带上分别施加有独立的电压以控制石墨烯带的化学势，进而实现非线性相位梯度。

一实施例中，所述金属基体的材料为金，金的光学特性由Drude模型获得：

一实施例中，所述超构光栅包括m个周期性分布的凹槽、介质层及石墨烯带，凹槽的宽度和深度分别为w和h，相邻两个凹槽之间的距离为a，石墨烯带的宽度为w

一实施例中，m的取值为2～5。

一实施例中，所述非线性元器件中：

m＝2时，相邻凹槽之间的相位差为π，2个石墨烯带的化学势分别为0.268eV和0.160eV；

m＝3时，相邻凹槽之间的相位差为2π/3，3个石墨烯带的化学势分别为0.290eV、0.218eV和0.120eV；

m＝4时，相邻凹槽之间的相位差为π/2，4个石墨烯带的化学势分别为0.338eV、0.266eV、0.206eV和0.120eV；

m＝5时，相邻凹槽之间的相位差为2π/5，5个石墨烯带的化学势分别为0.444eV、0.340eV、0.278eV、0.212eV和0.120eV。

一实施例中，所述非线性元器件中：

m＝2时，凹槽的宽度w＝6μm，凹槽的深度为h＝7μm，相邻两个凹槽之间的距离为a＝10μm，超构光栅的总长为20μm，石墨烯带的宽度为w

m＝3时，凹槽的宽度w＝5μm，凹槽的深度为h＝7μm，相邻两个凹槽之间的距离为a＝6.67μm，超构光栅的总长为20μm，石墨烯带的宽度为w

m＝4时，凹槽的宽度w＝4μm，凹槽的深度为h＝7μm，相邻两个凹槽之间的距离为a＝5μm，超构光栅的总长为20μm，石墨烯带的宽度为w

m＝5时，凹槽的宽度w＝3μm，凹槽的深度为h＝7μm，相邻两个凹槽之间的距离为a＝4μm，超构光栅的总长为20μm，石墨烯带的宽度为w

一实施例中，所述非线性元器件的入射光为FF光，反射光为THG波。

一实施例中，所述入射光的入射角为θ

其中，

一实施例中，所述反射角为θ

一实施例中，所述入射光的波长λ

一实施例中，所述入射光的入射角θ

本发明具有以下有益效果：

本发明在太赫兹域中基于石墨烯的非线性相位梯度超表面，提供了一种用于非线性波前控制的改进衍射定律，该定律能够突破NGSL的限制进行非线性波前控制；

通过施加的电压合理调整石墨烯的化学势，实现了对非线性波的多功能控制，包括回射和光束控制等，从而实现非线性元器件的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明非线性元器件中一个超构光栅(晶胞)的结构示意图；

图2a为m＝2时THG波的光学特性(幅度和相位)与石墨烯化学势(E

图2b为m＝2时反射THG波的磁场分布图；

图2c为m＝2时入射角和反射角的等频曲线图；

图2d为m＝2时入射角和反射角的关系图；

图3为m＝2时FF光不同入射角下THG波的磁场(H

图4a为m＝3时THG波的光学特性(幅度和相位)与石墨烯化学势(E

图4b为m＝3时反射THG波的磁场分布图；

图4c为m＝3时入射角和反射角的等频曲线图；

图4d为m＝3时入射角和反射角的关系图；

图5为m＝3时FF光不同入射角下THG波的磁场(H

图6为m＝2、3、4、5时THG光在n＝0和n＝2两个衍射级的衍射效率曲线图；

图7为m＝3时FF光入射角为±30°的THG波的磁场(H

图8为m＝1、2、3时FF光入射角为0°的THG波的磁场(H

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

受线性光学中相位梯度超表面(PGMs)概念的启发，已经从理论上提出并通过实验证明了非线性光学中的PGM，这为生成的非线性光的波前控制提供了可行的手段。具体来说，以三次谐波生成(THG)为例，所设计的非线性PGMs不仅可以产生THG，还可以为THG引入突变相移

其中，

本发明通过设计和研究可以产生明显THG效应的基于石墨烯的非线性PGM来重新检查NGSL。本质上，所有设计的非线性PGMs都是具有沿界面空间重复的超晶胞的周期性结构。对于此种结构，应考虑来自倒易晶格矢量的基于光栅的衍射效应。线性PGMs的最新进展表明，当入射超过临界阈值时，会出现高阶衍射。受这一进展的启发，我们将通过研究反射型非线性PGM表明NGSL对于入射角超过临界角的FF确实不正确。本发明将提出一个涉及互易晶格矢量的改进衍射定律，它可以完整地描述产生的非线性波的衍射行为。这种衍射定律为操纵非线性光的传播提供了更多机会，并允许人们实现许多有趣的效果。为了说明，本发明设计了一种基于非线性PGM的回射器，该装置可以将产生的非线性光引导回入射FF光的原始方向。此外，利用石墨烯带可调谐特性的优势，设计并研究了一种可调谐非线性PGM，它可以通过简单地改变施加的外部电压的周期性排列来引导生成的THG在多个方向上的反射。

本发明公开了一种非线性元器件，包括若干周期性分布的超构光栅。参图1所示，超构光栅包括金属基体10，金属基体上设有若干周期性分布的凹槽，凹槽内填充有介质层20，介质层20上覆盖有周期性分布的石墨烯带30，石墨烯带上分别施加有独立的电压以控制石墨烯带的化学势，进而实现非线性相位梯度。

具体地，本实施例中金属基体10的材料为金(Au)，其光学特性由Drude模型获得：

由于石墨烯带30不接触金属光栅，m个石墨烯带的化学势可以通过施加不同的电压(V

非线性超表面中涉及的凹槽可以有效地增强光与石墨烯带之间的相互作用，因此对于提高三次谐波的转换效率和扩大设计非线性相位梯度的相位覆盖范围具有重要意义。此外，凹槽可以有效地避免超构光栅之间的波耦合，从而可以很容易地在PGM中观察到高阶衍射。请注意，在所考虑的太赫兹(THz)工作频率范围内，本发明中仅将石墨烯视为非线性材料，因为金和PMMA的三阶非线性系数远小于石墨烯，因此可以忽略不计。石墨烯的线性电导率(即σ

考虑到通常从空气中入射到PGM的横向磁波(TM)偏振基频(FF)光(即仅沿y方向的磁场)，由于光子相互作用，石墨烯带立即产生THG信号，并且大多数除了少量的辐射进入空气外，产生的非线性光将进入凹槽。然后，THG在凹槽的顶部和底部之间经历多次反射，最终反射回空气中。从每个凹槽辐射的THG相位包含三个部分：(i)在凹槽内传播的THG的累积相位，(ii)由石墨烯层引起的突变相位，(iii)在凹槽的顶部和底部之间多次反射的附加相位。因此，两个相邻凹槽之间的相位差(即

其中，G＝2π/p，n是衍射级，THG中q＝3，相位梯度为

为了验证上述理论，以m＝2的非线性PGM为例进行说明。其中，工作波长λ

首先考虑来自具有相同石墨烯带的设计PGM的THG，以揭示产生的THG波的光学特性(包括幅度和相位)与石墨烯带化学势之间的关系，得到的结果如图2a所示，入射波是TM偏振平面波，当施加的化学势为E

为了揭示衍射过程，图2c显示了基于式(2)的等频曲线图。当入射角低于临界角时，即θ

为了验证所提出的衍射定律，图3中(a)～(f)显示了具有不同入射角的FF高斯光束的THG波的数值模拟磁场(H

原则上，式(2)所修正的衍射定律适用于m为任意值的情况，本发明中涉及并演示了m为2～5的情况，获得的结果几乎相同，只是每个通道中THG的衍射效率存在差异(这将在后面讨论)。这里以m＝3的情况为例进行说明。为了保持一致，THG波的相位梯度保持不变，即ξ＝3k

因为ξ＝3k

为了验证m＝3时的衍射，图5中(a)～(f)显示了m＝3时具有不同入射角的FF高斯光束的THG波的数值模拟磁场(H

此外，对于每个通道中的衍射效率(即转换效率)，尤其是对于n＝0和n＝2衍射级，衍射效率是与m相关的。衍射效率定义为C

随着m的增加，n＝2衍射级的转换效率逐渐降低并最终变小。这种不对称THG转换的物理机制主要是由于高阶衍射中的多重反射效应。注意，n＝0衍射级是最低衍射级，而n＝2是更高级。与线性PGM中的结果类似，n＝0衍射级中THG在凹槽内经历一次往返，而对于高阶衍射(即n＝2衍射级)，THG在凹槽内经历了多次反射与往返行程(L＝m-n+1)。这意味着往返是与m相关的，特别是L＝1(m＝2)和L＝2(m＝3)。由于金和石墨烯的欧姆损耗，高阶衍射中的更多往返导致更多的能量耗散。因此，对于m＝2，衍射响应是对称的，因为n＝0和n＝2阶的往返行程相同。对于m＝3，往返行程分别为L＝1(n＝0)和L＝2(n＝3)；那么，临界角以上的入射波的THG效率小于临界角以下的入射波。此外，随着m的增加，不对称响应的程度变得更加严重。

本发明提出的衍射定律和THG在每个衍射级的效率响应提供了设计具有迷人功能的非线性器件的途径。特别是，在PGM设计中，所使用的石墨烯是电可调的，仅通过改变石墨烯的化学势就为可调器件的设计提供了很大的便利。为了说明，本发明设计了一个非线性回射器，这意味着反射的THG波可以重新定向回其原始方向，即θ

此外，利用石墨烯的电可调特性，能够设计可调器件，仅通过改变石墨烯的化学势就可以在多个方向上控制生成的THG。基于式(2)，对于入射的FF光，产生的THG波的出射方向为θ

例如，几何参数选择为a＝10μm、h＝7μm、w＝6μm和w

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明在太赫兹域中基于石墨烯的非线性相位梯度超表面，提供了一种用于非线性波前控制的改进衍射定律，该定律能够突破NGSL的限制进行非线性波前控制；

通过施加的电压合理调整石墨烯的化学势，实现了对非线性波的多功能控制，包括回射和光束控制等，从而实现非线性元器件的设计。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。