[发明专利]一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件

说明书

本发明公开了一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件，其横截面包括包覆层、石墨烯层、高折射率介质截断层以及多层膜结构元件。通过调节包覆层或其中某层结构的折射率或厚度，以特定角度输入光入射到布洛赫表面激元光学器件表面，将显著增强的光场限制在石墨烯表面，增强石墨烯与光的相互作用，激发布洛赫表面激元，实现反射相位的剧烈跳变，从而获得石墨烯表面古斯汉欣位移效应的显著增强。所提光学器件对于实现石墨烯在其潜在应用领域主要包括光通信中的光开关、光存储等光电器件以及传感领域的光学传感检测等具有十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件。

背景技术

当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时，将可能发生一系列非镜面反射现象。例如：光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect)。作为非镜面反射的典型效应，古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括吸收材料、左手人工材料、金属薄膜、二维光子晶体、石墨烯等增强古斯汉欣效应。其中，由于石墨烯具备高电子迁移率和优良的光学特性，近年来的研究证明其可以有效增强古斯汉欣效应，因此石墨烯作为构成纳米光电器件的理想材料受到了广泛关注。

以往研究也发现，在两个材料界面上发生全反射时，在全反射角附近，即反射强度发生显著变化时，由于反射率函数的相位项会发生明显改变，从而可以产生古斯汉欣现象。此外，一些能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现象也被广泛研究，如表面等离子共振结构、金属包覆的光波导结构、双棱镜结构等。其中，基于表面等离子结构增强的石墨烯古斯汉欣效应已经被提出和研究，然而基于现有表面等离子结构的石墨烯增强的古斯汉欣位移大小通常在微米量级，不利于实现其在光子器件中的应用。除了表面等离子激元，存在于周期性的介质交替光子带隙中的布洛赫表面激元是另一种光学表面电磁波，这种模式存在于介质与介质的界面附近，其与存在于金属与介质表面的表面等离子激元有诸多的相似之处，两者均被约束在两种物质交界面处，引起交界面处的场增强，并且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。布洛赫表面激元被激发时，除了反射光强度的变化，还会产生剧烈的相位跳变，相位跳变可以有效增强包括古斯汉欣效应在内的非镜面反射效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有结构实现石墨烯古斯汉欣位移较小的问题，提供了一种显著增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件。

本发明提供的一种增强石墨烯古斯汉欣位移效应的布洛赫表面激元光学器件，其包括包覆层、缺陷层以及多层膜结构元件。

其中，缺陷层可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。

其中，所述多层膜结构元件可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。

所述器件中缺陷层由石墨烯层、高折射率介质截断层构成。

所述器件中石墨烯层、高折射率介质截断层、多层膜结构元件的作用是可通过调节包覆层或其中某层结构的物理性质，进而在石墨烯表面激发布洛赫表面激元。