[发明专利]石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于周期性自成像技术领域，涉及一种石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法。

背景技术：

衍射光栅结构出现的自成像效应在学术上命名为泰伯效应或者是自成像效应。各式各样的领域已经应用泰伯效应，比如位移传感器、激光共振器、光刻、阵列照明。在亚波长领域，表面等离激元已经提供了一种在纳米尺度下调控光的新方法，利用表面等离激元激发光栅，已经在实验上实现了等离激元泰伯效应(参见[1]Zhang W,Zhao C,Wang J,Zhang J.Opt.Express 2009,17(22),19757-19762)。对于连续的结构系统，在先技术已经在实验上利用金属薄板纳米周期性结构实现了等离激元泰伯效应([2]Cherukulappurath S,Heinis D,Cesario J,Hulst N F,Enoch S,Quidant R.Local observation of plasmon focusing in Talbot carpets[J].Opt.Express 2009；17(26):23772-23784.)。对于离散的结构系统，阵列波导中能够实现离散泰伯效应，出现周期性的自成像(参见[3]Iwanow R,May-Arrioja D A,Christodoulides D N,Stegeman G I.Discrete Talbot Effect inWaveguide Arrays[J].Phys.Rev.Lett.2005；95:053902.[4]Shi X Y,Yang W,Xing H Z,Chen X S.Discrete plasmonic Talbot effect in finite metal waveguide arrays[J].Opt.Lett.2015；40(8):1635-1638.[5]Wang Y,Zhou K,Y Song,Yang K,Liu S T.Discrete plasmonic Talbot effect in subwavelength metal waveguide arrays[J].Opt.Lett.2010；35(5):685-687.)。然而，现有技术中仍存在着实现周期性自成像的器件结构系统不能实时调节的缺陷，这就限制了周期性自成像的广泛使用。现有技术中(参见Fan Y,Wang B,Wang K,Long H,Lu P X.Talbot effect in weakly coupled monolayer graphene sheet arrays[J].Opt.Lett.2014；39(12):3371-3373.)虽然借助石墨烯独特的光学性质实现了通过外部电压实时调节周期性自成像，但是该技术在实验上的可行性较低，基本上只能停留在仿真模拟阶段。为了克服现有技术的缺陷本发明设计了一种石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件，该发明基于波导耦合理论、离散泰伯效应和表面等离激元理论，是一种能够实现实时电可调的并且实验上可行性高的石墨烯表面等离激元阵列波导周期性成像器件，该发明能够广泛应用于三维光学成像系统。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种能够同时在实际应用中可行性强，且能够实现周期性自称像的实时可调节功能的石墨烯表面等离激元阵列波导器件的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明涉及的石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法的具体按照如下步骤进行：

1、定义石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的主体结构：

石墨烯表面等离激元阵列波导的主体结构包括：基底层、单原子层石墨烯和介质条波导；所述基底层位于底部，其厚度为100纳米，其宽度与阵列波导的周期以及介质条波导单元宽度有关(以N型阵列波导为例，基底宽度为N倍介质条波导单元宽度与N+1倍阵列波导周期宽度之和)，基底层材料的介电常数为3.92；基底层的上侧覆盖有单原子层石墨烯，其厚度为0.5nm，即一个单原子层的厚度，所述单原子层石墨烯的宽度与基底的宽度相同，单原子层石墨烯的光学性质表示为石墨烯的相对介电常数，并由石墨烯的光电导率得出，在接下来的部分将会详细介绍。所述单原子层石墨烯上表面覆盖有介质条波导构成的阵列波导，其宽度为w＝100nm，高度为h＝100nm，相邻波导之间的间隔为80nm，相对介电常数为3.92；在本发明中，阵列波导包含七个相同的介质波导单元，除此之外周围的覆盖层是空气，介电常数为1。

2、石墨烯的光电导率计算并由此计算石墨烯相对介电常数：