一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构制造技术

本实用新型专利技术提供了一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，属于光学技术领域。包括非厄米电介质薄层和两个石墨烯单层，两个石墨烯单层分别沉积在非厄米电介质薄层的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度由某一石墨烯单层穿过时，可提高共振态的反射率，且在共振态附近可以获得大的古斯

【技术实现步骤摘要】
一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构


[0001]本技术属于光学
，涉及一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构。

技术介绍

[0002]当光在两种不同媒质的分界面上发生全反射时，相对于几何光学预测的位置，反射光束存在一个横向位移，即空间古斯
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汉森 (Goos
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GH)位移。古斯
‑
汉森位移可广泛用于对光波长、角度和材料折射率等的传感与检测。
[0003]当光在媒质的分界面上发生全反射时，会有部分光波渗入到下层媒质，形成倏逝波。该效应等效于将分界面向下移动一定的距离，引起反射点和反射光束相对于入射点发生了横向移动。反射光束的横向位移可以为正，也可以为负。而实际上，当光束中各个波长的光波在分界面上发生反射时，不同频率的光波，其相对相位移动各不相同，这就导致了叠加后形成的反射光束存在一个横向移动。
[0004]古斯
‑
汉森位移最开始由古斯和汉森在实验上测得，但因空间古斯和汉森位移只有几个波长的量级，刚开始很难在实验上进行验证，在实践中也不易体现出其应用价值。后续研究表明，部分反射光也可以存在古斯
‑
汉森位移，而且量级还可以进一步提高。另外，反射光束还可以在角度上发生偏转，即角度古斯
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汉森位移。
[0005]如何提高古斯
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汉森位移的量级，以及挖掘古斯
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汉森位移的潜在应用价值，是人们一直努力的方向。研究发现，当材料中存在弱损耗时，可以诱发几十倍波长量级的古斯
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汉森位移；在光子晶体的带隙边缘，也可以存在较大的古斯
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汉森位移；另外，在非厄米光子系统中(系统中存在增益和损耗，或二者其一)的异常点(exceptional points：EPs)附件，可以出现极大的古斯
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汉森位移。在这三种情况中的一个共同的弊端都是反射率非常低，尤其是在异常点，反射率为零，这对实际中的探测和应用带来极大的困难。
[0006]石墨烯作为一种新兴的二维材料，具有良好的电学和力学特性，被广泛应用科学研究和生产实践中。石墨烯中存在的弱损耗，这可以导致反射系数相位急剧地改变，从而获得较大的古斯
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汉森位移；同时，石墨烯的导电性可以被用来增强光的反射率。为此，我们将石墨烯和非厄米电介质薄层复合，来提高共振态的反射率，以及在共振态附近，可以获得极大的古斯
‑
汉森位移。

技术实现思路

[0007]本技术的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，本技术所要解决的技术问题是提高复合结构共振态的反射率和获得在共振态附近的较大古斯
‑
汉森位移。
[0008]本技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，其特征在于，包括非厄米电介质薄层和两个石墨烯单层，两个石墨烯单层分别沉积在非厄米电介质薄层的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度
由某一石墨烯单层穿过时，可提高共振态的反射率，且在共振态附近可以获得大的古斯
‑
汉森位移。
[0009]进一步的，所述非厄米电介质薄层的材料为二氧化硅，可通过掺入铒离子实现对非厄米电介质薄层的增益控制，可掺入铜离子对非厄米电介质薄层的损耗控制。
[0010]本技术的优点：将非厄米电介质薄层与石墨烯复合，相对于无石墨烯的情况，可以大大地增强共振态的反射率；还可以极大地提高反射光束的空间古斯
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汉森位移；在共振态附件，古斯
ꢀ‑
汉森位移可高达108倍波长，而且该位移对入射角、入射波长和介电常数极其敏感，因此，该结构可用于高灵敏度角度、波长和介电常数传感与检测。
附图说明
[0011]图1是本复合结构的层结构图。
[0012]图2中的(a)图是透射率对角度的依赖关系；图2中的(b)图是反射率对角度的依赖关系；图2中的(c)图是反射系数相位随角度的变化关系；图2中(d)图是古斯
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汉森位移随角度的变化关系。
[0013]图3中的(a)图是透射率随波长的变化关系；图3中的(b)图是反射率随波长的变化关系。
[0014]图4中的(a)图是反射系数相位随波长的变化关系；图4中(b) 图是空间古斯
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汉森位移随波长的变化关系。
[0015]图中，σ、石墨烯单层；G、非厄米电介质薄层。
具体实施方式
[0016]以下是本技术的具体实施例并结合附图，对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。
[0017]将石墨烯单层沉积在非厄米电介质薄层的上、下表面，形成三明治结构，如图1所示。非厄米电介质薄层的厚度为d＝18μm(微米)，非厄米电介质薄层存在增益或损耗。薄层材料的介电常数为ε＝ε
r
+iε
i
，其中ε
r
＝2表示介电常数的实部，ε
i
表示介电常数的虚部， i是虚数单位。虚部为正，代表损耗介质；虚部为负，代表增益介质。字母σ表示石墨烯单层，G表示非厄米电介质薄层。实线1 表示入射光线，虚线2表示几何光学预测的反射光线，实线3表示发生负古斯
‑
汉森位移后的反射光线，实线4表示发生正古斯
‑ꢀ
汉森位移后的反射光线，实线5表示透射光线。符号+Δ表示正的古斯
‑
汉森位移，符号
‑
Δ表示负的古斯
‑
汉森位移。字母θ表示光线的入射角，要发生古斯
‑
汉森位移，必须是斜入射。
[0018]非厄米电介质薄层的材料为二氧化硅，通过掺入铒离子等杂质实现对电介质的增益控制，掺入铜离子等实现对损耗的控制。当输入波长固定时，例如λ＝10μm的横磁波，改变光的入射角度，可以得到光波的透射率，如图2中(a)所示，横坐标单位deg表示度，即
“°”
。环境温度设置为常温T＝23℃，石墨烯的化学势设定为μ
c
＝0.15eV(eV表示电子伏)。不同的介电常数的虚部，对应着不同的在透射率曲线。在每根透射率曲线中，都存在一个透射峰，也叫共振峰，对应的就是共振态。可以看到，介电常数的虚部基本不影响共振峰的位置，共振态对应的入射角为θ＝57.8
°
。当ε
i
＝
‑
0.05时，介质中存在增益，此时最大透射率可以大于1；而当ε
i
＝0.05时，对应着损耗介质，此时透射率都小于1。对于无损介质，即ε
i
＝0，共振态
的最大透射率为1。此现象表明，在石墨烯的作用下，通过调制电介质的增益和损耗，可以极大地增强共振态的反射率。
[0019]图2中(b)是反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现空间位移的电介质薄层和石墨烯的复合结构，其特征在于，包括非厄米电介质薄层(G)和两个石墨烯单层(σ)，两个石墨烯单层(σ)分别沉积在非厄米电介质薄层(G)的两侧形成一个三层结构；在光波以非垂直入射角度由某一石墨烯单层(σ)穿...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东，
申请(专利权)人：湖北科技学院，
类型：新型
国别省市：