[发明专利]偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料和光子学等领域，具体涉及一种偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器。

背景技术

电磁波频谱中的红外频段可划分为近红外(0.76μm～2.5μm)、中红外(2.5μm～25μm)和远红外(25μm～1000μm)三个频段。自然界中一切物体都可以辐射红外线，通过利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外影像。大气和烟云等可以吸收可见光和近红外线，但是对8～14μm的热红外线(中红外频段)却是透明的。因此，这个频段被也称为热红外线的“大气窗口”。利用光谱技术进行热红外成像为在军事提供了先进的夜视装备和全天候前视系统。

石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，它只有一个原子层厚度的准二维材料，又叫单原子层石墨。石墨烯具有十分良好的导电、导热、机械强度和柔韧性以及光学特性，在物理学、材料学、电子信息与计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。石墨烯的传导电子可以与入射的光子相互作用形成耦合电磁模(即，等离激元共振)，能够突破传统的光学衍射极限，因此可作为光传输器件包括光耦合器件中的信息载体。但是，单层石墨烯结构对可见光以及红外频段光的吸收率仅为2.3％。目前的研究技术在如何有效调控石墨烯结构对光波或电磁波的光谱响应特性包括石墨烯结构在不同频段的光谱陷波响应的可控操作等方面都存在很大的技术难题。如近期公开的专利申请[申请号201610062949.3，申请公布号CN 105700201 A]，虽然提供了一种基于石墨烯的光滤波器件，但结构本身需要涉及到电解质层、金属电极、石墨烯条带阵列、介质层、金属光栅和衬底等众多的结构元件和模块，不利于器件的简易制备和集成应用。近期公开的发明专利申请[申请号201611235973.9，申请公布号CN 106684510 A]公开了一种基于石墨烯的开口六面环形可调双频滤波器，虽然在太赫兹频段实现了双频带的透射滤波响应，但结构所需的基板、开口正六面环形贴片、倒U形贴片、反向L形贴片、L形贴片与倒T形贴片等诸多结构单元极大地增加了此类滤波器的结构复杂性，不可避免地限制了其在器件制备与集成等方面的应用。同时在技术上如何实现人为调控基于石墨烯结构的光学滤波响应也一直存在难题。人为调控多频带石墨烯滤波结构更是现有技术领域的一个空白。此外，传统技术层面的光传输结构包括光学滤波器件都存在结构尺寸较大、光谱不可调谐等不足。

发明内容

针对上述不足，本发明为了提供一种工作在中红外频段的可通过偏振态进行人为调控的多频带石墨烯阵列滤波器，旨在引入石墨烯材料、利用石墨烯颗粒的电磁共振特性以及共振效应受偏振态影响等特点，简化滤波器的结构单元和增加光谱的可调控频带数目以及人为调控的手段和方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器，它包括衬底、石墨烯阵列结构层，其特征在于：自下而上依次由衬底和石墨烯阵列结构层组成，所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒与空气狭缝复合结构的周期性阵列组成。所述空气狭缝在石墨烯颗粒结构上进行切割且狭缝的位置偏移颗粒中心位置，形成空间分离且对称性破缺的颗粒对结构。本发明基于石墨烯颗粒所具有的强电磁共振效应以及称性破缺的颗粒对结构的电磁共振与杂化耦合，通过入射光的偏振态的改变，实现光谱可调控的多频带滤波响应。

所述石墨烯颗粒与空气狭缝组成的结构对称性破缺的石墨烯颗粒对的周期性阵列图案设置在衬底上表面。

所述石墨烯颗粒的结构为圆柱形结构。

所述石墨烯阵列层厚度处于0.34nm-1nm范围。

所述衬底的材料为玻璃、柔性材料比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料。

所述偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括电子束和激光刻蚀技术等来制备。

本发明的偏振调控的石墨烯阵列多频带滤波器具有如下优点：

1、滤波器可以通过偏振态的调控实现对多频带光谱滤波的有效操控。

2、通过采用石墨烯阵列结构作为中红外光的共振耦合单元，利用对称性破缺的石墨烯颗粒对结构提供强的光学散射以及形成不同的共振杂化模式，实现了多频带滤波效应。

3、通过利用石墨烯阵列结构，从而实现了纳米尺度厚度上的光学滤波响应，从根本上克服了传统光学装置所面临的结构尺寸大、不利于高密度集成等内在问题。