[发明专利]一种中红外波段基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器

说明书

本发明公开了一种中红外波段基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，属于中红外技术领域的谐振器件，利用了石墨烯表面等离子体特性及等离子体诱导透明理论。该谐振器件为三维周期性结构，其结构组成为：顶层为石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘，中间层为氟化钙介质，底层为掺杂硅基底层，由上往下堆叠而成的三层结构。本发明主要通过有限元方法计算模拟出中红外波段谐振器的谐振光谱，对谐振器结构进行优化，具有在中红外频段激发出等离子体诱导透明共振的能力，并可以有效调谐等离子体诱导透明共振的线形和谐振频率。本发明结构简单、紧凑合理，便于加工。

技术领域

本发明涉及一种中红外波段基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，属于石墨烯材料在中红外波段谐振器件应用领域。

背景技术

电磁感应透明(EIT)是一种由量子干涉引起的吸收透射增强的现象，可以实现用电磁场控制材料的光学响应。这种现象首先在原子系统中被观察到，它可以在三能级系统中实现。原子EIT效应已经广泛应用于慢光、非线性光学等领域。但是，原子EIT效应的实现是很困难的，需要非常苛刻的环境和操作条件，这极大地限制了传统原子EIT的应用与发展。为了克服这些问题，人们研究出了类似于原子EIT系统的新的系统。而等离子体诱导透明(PIT)便是一种类EIT效应，引起了人们的广泛关注，并应用在传感、慢光、光学存储等领域。PIT效应的实现通常使用明暗模耦合，即利用明态模式和暗态模式之间直接的相消干涉产生。

中红外的频率主要是15—150THz(2μm—20μm)范围的光谱，中红外光谱在环境监测，传感和天文检测等各个领域具有非常巨大的潜力，因为许多材料的指纹落在该光谱区域。尤其是在传感领域，很多分子指纹分布在中红外波段内，这些分子指纹可以通过传感器非常精准地判断出来，这种特性让中红外波段传感器在近几年受到广泛的关注。但是，传统的传感器一般运用金属和半导体材料，具有较大的欧姆和辐射损耗，性能会受到严重的损耗，品质因数和灵敏度普遍较低。为了在中红外区域减少的损耗，等离子体激元共振(PFR)应当表现出高质量因子。该特征对于表面增强红外吸收(SEIRA)具有很强的作用，由于中红外指纹区域中的材料特异性振动吸收，可以提供分子信息。而等离子体诱导透明现象作为等离子体激元中一种共振形式，在中红外波段表现出了超高品质因数和高灵敏度，这表明了其在传感等领域具有巨大的潜力。

考虑到了结构难易等要求，本发明提出了一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，可以为石墨烯等离子体激元结构的可调机制和高灵敏度器件的设计(例如，传感器，调制器和天线)提供重要前提。

近年来随着研究者们对石墨烯的研究，基于石墨烯的等离子体诱导透明效应也吸引了大家的关注。众所周知，基于传统金属超材料激发的等离子体透明效应，具有一个严重的缺点，即一旦制造结构，透明窗口的工作波长就固定了。而基于石墨烯的等离子体诱导透明效应，可以通过调控石墨烯的费米能级来控制透明窗口，因此在如慢光器件、传感器等领域展现了很大的应用潜力。本谐振器通过偏置调整单层石墨烯的费米能级，可以实现对谐振光谱进行动态调谐，这样可以使光学共振与分子振动指纹重叠。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成熟，最常用的加工技术是CVD法。因此本发明具有重要的科学意义和实际应用价值，在中红外谐振领域实际应用中也有着一定的前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能够在中红外波段方便地激发高性能等离子体诱导透明的基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器。

考虑到了结构难易等要求，本发明提出了一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，为基于石墨烯等离子体激元结构的高可调性谐振器的发展提供了重要的帮助。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，该谐振器为三维周期性结构，采用石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘结构用于激发等离子体诱导透明谐振；其特征在于：结构组成自下而上分别为一层掺杂硅基底层，一层氟化钙介质层，顶层为石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘结构。