王俊瑤,樊俊鵬,舒 好,劉 暢,程用志
武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430081
透鏡是光學(xué)系統(tǒng)中極具代表性的光波調(diào)制器件,在光學(xué)顯微鏡、高清晰成像、光學(xué)光刻以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域中都扮演著重要的角色。然而由于自然界中的光學(xué)材料的選擇范圍較為有限,傳統(tǒng)曲面透鏡笨重的材料層和復(fù)雜的幾何形狀已不能順應(yīng)當(dāng)前器件小型化、光學(xué)系統(tǒng)集成化的發(fā)展趨勢。超材料是典型的基于亞波長結(jié)構(gòu)(也稱人工原子或超原子,meta-atom)構(gòu)建的人工結(jié)構(gòu)材料,它具有傳統(tǒng)天然材料望塵莫及的奇特光學(xué)性質(zhì)[1],例如:負(fù)折射率、逆切倫科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等。然而超材料的三維加工問題以及金屬損耗問題(尤其在光波段)嚴(yán)重影響了其應(yīng)用的進(jìn)一步拓展。超表面的提出彌補(bǔ)了超材料的缺陷。超表面是由亞波長人工單元排布組成的平面材料,不同材料和形狀的人工單元結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著超表面不同的功能和效果,相對(duì)于超材料,超表面的厚度縮減到了亞波長量級(jí)。超表面一經(jīng)提出,就吸引了眾多國內(nèi)外研究者的注意,不同工作波段、不同功能的超表面被設(shè)計(jì)出來,包括超透鏡[2-8]、光全息[6,9-11]、異常反射和透射[12-13]、偏振轉(zhuǎn)換[14-16]、完美吸收[17]等。超表面透鏡利用亞波長諧振單元的相位突變?nèi)〈鷤鹘y(tǒng)透鏡的傳輸相位累積來實(shí)現(xiàn)波前整形,利用極薄的平面結(jié)構(gòu)便可達(dá)到波束聚焦的效果,很好地解決了傳統(tǒng)器件在重量和體積上存在的問題,使曲面結(jié)構(gòu)平面化,更易于系統(tǒng)小型和集成化[4,18-21]。但是,大多數(shù)金屬超表面的性質(zhì)、工作波段依賴于其結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)定,工作性質(zhì)也就受到了限制。因此設(shè)計(jì)出一種新型的、可以進(jìn)行靈活調(diào)控的超表面結(jié)構(gòu)在光電功能器件領(lǐng)域具有十分重要的意義。
2004 年,Geim 和Novoselov 首次在高定向熱解石墨上用微機(jī)械剝離的方法成功從石墨中分離得到了石墨烯[22],石墨烯從此走進(jìn)了人們的視野。這種新興石墨烯材料有很多優(yōu)良的性質(zhì),在光學(xué)、電學(xué)性能上可以彌補(bǔ)金屬和介質(zhì)的缺陷,這使得石墨烯在超表面領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。在太赫茲和中紅外波段,石墨烯超表面可與電磁波之間互相發(fā)生作用,激發(fā)表面等離激元共振。而且石墨烯的光學(xué)特性受控于其表面電導(dǎo)率,它的表面電導(dǎo)率可以通過一些手段被靈活地操控,比如外加電壓和化學(xué)摻雜等,表現(xiàn)出異于尋常材料的可調(diào)性。許多科研工作者利用不同方法研究石墨烯超表面在光電領(lǐng)域的應(yīng)用[23-26],取得了不少研究成果。2013 年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Eduardo[27]等人證明通過改變方形石墨烯塊陣列的化學(xué)勢能夠控制反射電磁波的相位,進(jìn)而構(gòu)建波前控制器件。研究者利用不同寬度或者不同化學(xué)勢的石墨烯條實(shí)現(xiàn)了紅外波前調(diào)控器件。2015 年,Yatooshi[28]等人通過結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的石墨烯單元結(jié)構(gòu)引入Pancharatnam-Berry(PB)相位,在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了一種寬帶可調(diào)控的圓偏振光異常反射器。同年,南開大學(xué)的Cheng[29]等證明將石墨烯塊與空間幾何相位相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的圓偏振電磁波的異常折射。2018 年,Liu[30]等人提出了一種基于石墨烯的電可調(diào)太赫茲透鏡,通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距的調(diào)控。因此,設(shè)計(jì)可調(diào)控的石墨烯基超表面有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值[31-33]。
本文提出了一種基于石墨烯超表面的效率可調(diào)太赫茲聚焦透鏡。該超表面結(jié)構(gòu)由石墨烯-介質(zhì)-石墨烯三層結(jié)構(gòu)組成,將入射的圓偏振波轉(zhuǎn)換為偏振正交的透射波。利用幾何相位理論,通過簡單地改變微結(jié)構(gòu)中長方形的旋轉(zhuǎn)角度,使透射的交叉圓偏振攜帶額外的2π 范圍的突變相位,并通過合適的排列單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波束聚焦。通過改變費(fèi)米能級(jí),石墨烯基超表面的圓偏振轉(zhuǎn)換幅度可以在0~0.55 范圍內(nèi)調(diào)控。我們提出的石墨烯基超表面結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)控方式靈活,在納米成像、顯微鏡和檢測等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
本文設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯超表面的太赫茲效率可調(diào)聚焦透鏡,該平面超透鏡分別由兩層對(duì)稱的石墨烯結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)層組成。兩層石墨烯是通過電磁誘導(dǎo)透明的功能性材料,用來構(gòu)成透射型聚焦透鏡,中間電介質(zhì)層的材料選擇相對(duì)介電常數(shù)εr=3.5(1+0.05i)的聚酰亞胺薄膜(Polyimide),主要用于太赫茲波的傳輸。另外,安置一個(gè)可控偏壓設(shè)備作為橋梁連向兩層石墨烯結(jié)構(gòu),用以控制石墨烯超表面的費(fèi)米能級(jí)[33]。此超表面能夠在太赫茲波段寬頻帶范圍內(nèi)操縱光的波前。如圖1(a)所示,向石墨烯超表面垂直入射電磁波時(shí),該電磁波在超表面上會(huì)引入相位梯度,產(chǎn)生額外的人工波矢,從而有效地調(diào)控透射波的波前。
圖1(b)為超透鏡單元的三維立體模型,其特點(diǎn)在于,對(duì)稱的石墨烯表層為圓形鏤空結(jié)構(gòu),鏤空?qǐng)A形中間由長方形石墨烯片連接。在石墨烯超透鏡的設(shè)計(jì)中,引入幾何相位(Pancharatnam-Berry 相位)來調(diào)制圓偏振波[34]。入射的圓偏振波在通過所提出的超表面后可以轉(zhuǎn)換為相反的螺旋度,并且在出射波上附加一個(gè)φ=±2θ的相變,其中,θ是單元結(jié)構(gòu)中長方形的旋轉(zhuǎn)角,符號(hào)“+”或“-”對(duì)應(yīng)于右旋圓偏振(right circular polarization,RCP)或左旋圓偏振(left circular polarization,LCP)入射的螺旋度。入射的平面波沿著法向入射,通過石墨烯超單元之后,透射場可以描述為
式中:txx,txy,tyx和tyy對(duì)應(yīng)于線性分量的透射系數(shù)。在式(1)中,第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于共偏振分量,第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于交叉偏振分量,其具有附加的相位2θ。因此,通過簡單地改變長方形的旋轉(zhuǎn)角,超單元就可以將入射的LCP(RCP)波轉(zhuǎn)換為透射的RCP(LCP)波,且具有0~2π的完全相位覆蓋范圍和恒定的透射幅度。
超表面幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)已經(jīng)設(shè)定,則透射的交叉圓偏振波聚焦特性將由石墨烯的電導(dǎo)率決定[35-38],而石墨烯能在眾多材料中脫穎而出是歸功于其電導(dǎo)率的可調(diào)性,通過調(diào)節(jié)電壓的方式就能靈活地改變石墨烯的費(fèi)米能,進(jìn)而操控石墨烯電導(dǎo)率的變化。電壓調(diào)控石墨烯表面費(fèi)米能EF的關(guān)系式可近似為
其中:?是約化普朗克常數(shù),費(fèi)米速度vF=106m/s,εr與ts為二氧化硅的相對(duì)介電常數(shù)及絕緣層厚度,ε0是真空介電常數(shù),e是電子電荷,Vg表示偏置電壓,已在圖1(a)中標(biāo)示。
在數(shù)值仿真時(shí),電磁波入射的石墨烯層可看成表面電流層,電流密度表達(dá)式為J=σE,σ為石墨烯的電導(dǎo)率,用公式表示為[39]
可以看到,石墨烯電導(dǎo)率由前一項(xiàng)能帶內(nèi)電子躍遷和第二項(xiàng)能帶間電子躍遷得到。式中:為費(fèi)米-狄拉克分布,τ表示弛豫時(shí)間,它由載流子散射引起的,ω=2πf為角頻率,kB是玻爾茲曼常數(shù)。該公式可揭示從亞太赫茲到近紅外波段石墨烯超表面特性的變化以及不同的調(diào)制機(jī)制。特別是在太赫茲波段,價(jià)帶中電子的能級(jí)躍遷不易被激發(fā),所以此時(shí)只涉及電子帶內(nèi)躍遷一項(xiàng),公式近似簡化為
圖1 (a) 電磁波束垂直入射超表面的聚焦示意圖;(b) 超表面單元結(jié)構(gòu)視圖Fig.1 (a) Focusing schematic diagram of the electromagnetic beam perpendicularly incident on the metasurface;(b) The schematic diagram of the unit cell
設(shè)置環(huán)境溫度為T=300 K,固定弛豫時(shí)間τ=1 ps,繪出式(4)中費(fèi)米能EF從0.1 eV~0.9 eV 的電導(dǎo)率—頻率曲線。如圖2(a)、2(b)所示,當(dāng)EF固定不變、頻率逐漸增加時(shí),石墨烯表面電導(dǎo)率的實(shí)部和虛部也隨之減小。當(dāng)頻率固定不變時(shí),電導(dǎo)率的實(shí)部和虛部會(huì)伴隨著EF的增大而增大。依據(jù)以上公式呈現(xiàn)的關(guān)系和電導(dǎo)率變化曲線,石墨烯的電導(dǎo)率依賴于EF而改變?;诒旧盱`活可控的光學(xué)特性,石墨烯在構(gòu)造動(dòng)態(tài)可調(diào)諧超表面時(shí)具有明顯的優(yōu)勢,這是金屬和電介質(zhì)材料所不及的。
本文利用時(shí)域有限元算法模擬仿真石墨烯超單元,在x-y方向,邊界條件為周期性邊界,z方向?yàn)閛pen 邊界,入射波為圓偏振波,沿z軸正向垂直入射。為了獲得最佳的聚焦性能,石墨烯超透鏡所有結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)都經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù):超透鏡單元格的長、寬皆為p=120 μm,石墨烯層厚度為tm=0.001 μm,鏤空?qǐng)A形的直徑r=90 μm,長方形的寬為w=45 μm,介質(zhì)層聚酰亞胺的厚度為ts=35 μm。石墨烯的層與層之間安裝了可控偏壓設(shè)備,通過施加不同柵壓,石墨烯的費(fèi)米能級(jí)能相應(yīng)地發(fā)生改變,進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面的透射效率。將單元結(jié)構(gòu)沿x軸橫向排列,按預(yù)設(shè)相位分布,可以完成超表面對(duì)出射交叉圓偏振波的聚焦,并且通過改變石墨烯費(fèi)米能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡效率的調(diào)控。
圖2 弛豫時(shí)間τ =1 ps 時(shí)不同EF下電導(dǎo)率的(a) 實(shí)部;(b) 虛部Fig.2 The (a) real and (b) imaginary parts of the conductivity at different EFwhen the relaxation time τ is 1 ps
基于以上設(shè)計(jì)的石墨烯聚焦超透鏡,為了進(jìn)一步闡明其表面諧振頻率隨費(fèi)米能級(jí)變化而發(fā)生改變的物理機(jī)制,我們使用基于時(shí)域有限元算法對(duì)其基本單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,從而獲得長方形方位角固定在θ=0°和不同費(fèi)米能級(jí)(EF=0.1 eV,0.3 eV,0.5 eV,0.7 eV,0.9 eV)時(shí)在LCP 波激勵(lì)下仿真的透射系數(shù)。如圖3 所示,當(dāng)費(fèi)米能級(jí)等于0.9 eV 時(shí),超表面的交叉偏振透射系數(shù)在1.42 THz 達(dá)到最大值0.55;且在此頻率下,超表面的透射幅度會(huì)隨著費(fèi)米能級(jí)的增大而逐步增大。此外,基于石墨烯超表面的圓偏振轉(zhuǎn)換諧振頻率隨著費(fèi)米能級(jí)的降低而呈現(xiàn)一定程度的藍(lán)移,EF=0.1 eV,0.3 eV,0.5 eV,0.7 eV,0.9 eV 時(shí)超表面的透射幅度在諧振頻率分別為:0.62 THz,1.07 THz,1.2 THz,1.35 THz,1.42 THz,其透射幅度在此處分別達(dá)到最大。我們?cè)谙辔惶荻仍O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,成功實(shí)現(xiàn)了工作在1.4 THz 頻點(diǎn)上的聚焦透鏡。入射的太赫茲圓偏振波通過我們?cè)O(shè)計(jì)的超表面透射后,轉(zhuǎn)化為其正交偏振的圓偏振波,并且實(shí)現(xiàn)聚焦功能。通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),超透鏡的工作效率實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),這是傳統(tǒng)金屬超透鏡所不能實(shí)現(xiàn)的。
圖3 在固定的旋轉(zhuǎn)角θ=0°時(shí)不同EF下的透射幅度Fig.3 The transmission amplitude at different Fermi levels at a fixed rotation angle θ=0°
圖4 費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV 時(shí)長方形旋轉(zhuǎn)角度不同下的(a)透射幅度和(b)相位圖Fig.4 (a) The transmission amplitude and (b) the phase diagram at different rectangular rotation angles when Fermi level is 0.9 eV
為了更好地理解所設(shè)計(jì)的超表面如何產(chǎn)生聚焦現(xiàn)象,圖4(a)、4(b)給出了表層石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV和長方形旋轉(zhuǎn)角度θ=0°,30°,60°,90°,120°,150°時(shí)的透射波幅度和相位圖。圖4(a)顯示,由于費(fèi)米能級(jí)固定,不同旋轉(zhuǎn)角下仿真和計(jì)算得到的超透鏡諧振頻率值基本保持不變,其中,θ=0°和θ=90°時(shí)的透射幅度相對(duì)最高,其它旋轉(zhuǎn)角下交叉偏振波的振幅稍低于最高透射幅度,總體而言,此六個(gè)單元的交叉偏振振幅透射譜由0.4 到0.55,在1.4 THz 頻點(diǎn)處達(dá)到理想的偏振轉(zhuǎn)換效果。圖4(b)中,從縱向分析,以入射波頻率為1.4 THz 的數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例說明:θ=0°,30°,60°,90°,120°,150°的單元結(jié)構(gòu)使透射波相對(duì)入射波產(chǎn)生的相位突變分別為-130°、-70°、-10°、50°、110°、170°左右,其相位突變角度符合幾何相位和偶極子相位調(diào)制原理。另外,從0.6 THz 到1.6 THz 每個(gè)單元使透射波產(chǎn)生突變的相位值可以被近似認(rèn)為是線性變化的,并且每個(gè)相鄰結(jié)構(gòu)單元之間引起的相位突變間隔幾乎是恒定的,這表明我們?cè)O(shè)計(jì)的單元在一個(gè)較寬的THz范圍內(nèi)近似保持交叉偏振圓偏振波的相位突變間隔,并且覆蓋0 到2π 的范圍,保證了該結(jié)構(gòu)能夠在一個(gè)較寬的頻帶范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)THz 波相位的控制。
石墨烯超表面-電介質(zhì)層-石墨烯超表面三層結(jié)構(gòu)組成的平面聚焦透鏡,它的物理作用是按照特定規(guī)則調(diào)整入射波的波前,對(duì)于LCP 波的入射,會(huì)使透射波產(chǎn)生相位突變,是將透過的光波等相位面調(diào)控成拋物線型的一種聚焦模式。透鏡功能的實(shí)現(xiàn)需要滿足一定的要求,對(duì)于超表面x軸方向,平面內(nèi)各點(diǎn)附加相位與其坐標(biāo)的關(guān)系應(yīng)滿足:
式中:λ是入射波波長,x是各個(gè)單元結(jié)構(gòu)的位置,F(xiàn)是設(shè)計(jì)的焦距,式(5)對(duì)應(yīng)于圖4(b)所示的透射波相位變化圖。由偶極子相位調(diào)制原理φ=2θ可知,每個(gè)單元結(jié)構(gòu)的長方形方位角為
在實(shí)際操作中,我們先預(yù)設(shè)費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV,超透鏡工作頻率為1.4 THz 時(shí)的焦距為2 mm;然后計(jì)算單元結(jié)構(gòu)金屬條方位角θ,再以該角度沿x軸兩邊依次旋轉(zhuǎn)排列,直至結(jié)構(gòu)在x方向達(dá)到需求長度,最后將此向y軸正負(fù)方向延伸,這可確保通過超透鏡透射波在設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)處發(fā)生相長干涉。
圖5 (a) 費(fèi)米能級(jí)為0.1 eV;(b) 費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV 入射光頻率為1.4 THz 下仿真得到的聚焦效果圖Fig.5 The simulation results of Fermi levels are (a) 0.1 eV and (b) 0.9 eV at the working frequency of 1.4 THz
圖5(a)、5(b)分別為石墨烯超表面的費(fèi)米能級(jí)為0.1 eV、0.9 eV 時(shí),頻率為1.4 THz 的左旋圓偏振光入射下的一維聚焦圖。由仿真結(jié)果可知,當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.1 eV 時(shí),透過石墨烯超表面的交叉圓偏振波幾乎為0,即無法將入射的電磁波轉(zhuǎn)換為球面波。當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV 時(shí),入射的左旋圓偏振波將部分轉(zhuǎn)化為右旋圓偏振波,并匯聚到預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)處。由于波長本身的制約,聚焦的光斑具有一定的大小,該超表面在x軸的橫向方向?qū)崿F(xiàn)了聚焦,焦點(diǎn)在y軸方向一直延伸成線。
進(jìn)一步地,為研究基于石墨烯超表面的效率可調(diào)太赫茲聚焦透鏡的聚焦能力,圖6(a)、6(b)給出了x-o-z焦平面的光強(qiáng)歸一化曲線。圖6(a)為EF=0.1 eV、0.9 eV下沿x-軸的交叉偏振光強(qiáng)度分布,可計(jì)算出費(fèi)米能級(jí)0.9 eV 下的半峰全寬(FWHM)為0.196 mm,這表明超透鏡實(shí)現(xiàn)了亞波長聚焦。圖6(b)描述了EF=0.1 eV、0.9 eV 下沿z-軸的交叉偏振光強(qiáng)度分布。可以看出,當(dāng)費(fèi)米能級(jí)等于0.9 eV 時(shí),仿真的焦距為2.03 mm,這與預(yù)設(shè)的理論值2 mm 相吻合。我們把這種效率可調(diào)的石墨烯超表面設(shè)計(jì)成開關(guān)式聚焦透鏡。從圖6(a)、6(b)中可以看出,當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.1 eV 時(shí),x-o-z焦平面的光強(qiáng)分布都接近0,這種情況則不能表現(xiàn)出聚焦功能,此時(shí)的狀態(tài)為“關(guān)”;當(dāng)費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV時(shí),表現(xiàn)出良好的聚焦效果,則此時(shí)的狀態(tài)為“開”。這種開關(guān)式的聚焦透鏡通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn),而不用改變超表面的物理結(jié)構(gòu),這是傳統(tǒng)超表面所不能實(shí)現(xiàn)的。
圖6 x-o-z 平面中模擬EF=0.1 eV、0.9 eV。(a) 沿x-軸的交叉偏振光強(qiáng)度分布;(b) 沿z-軸的交叉偏振光強(qiáng)度分布Fig.6 The profile distributions of the intensity at EF=0.1 eV,0.9 eV in the x-o-z plane,when the cross polarized light is along (a) x and (b) z axes
本文設(shè)計(jì)并研究分析了一種基于石墨烯超表面的效率可調(diào)太赫茲聚焦透鏡。該透鏡采用兩層對(duì)稱的石墨烯表面,形成類似多層超表面級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。數(shù)值仿真結(jié)果表明,在改變單元結(jié)構(gòu)中長方形的旋轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上組合設(shè)計(jì)超單元,沿z-軸正向入射的圓偏振波將轉(zhuǎn)化為其正交偏振的圓偏振波,且在較寬的THz 波段內(nèi),透射的交叉偏振圓偏振波的相位突變可覆蓋0 到2π 的范圍。通過充分利用石墨烯電導(dǎo)率可調(diào)的特性,石墨烯超表面無需改變物理尺寸,便可在不同費(fèi)米能級(jí)(0.1 eV~0.9 eV)下實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的圓偏振轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的開關(guān)式聚焦透鏡。當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.1 eV 時(shí),透射交叉偏振系數(shù)接近于0,此時(shí)沒有聚焦效果;當(dāng)費(fèi)米能級(jí)為0.9 eV 時(shí),透射的交叉偏振系數(shù)接近0.55,入射圓偏振波將部分轉(zhuǎn)化為其正交偏振分量,并匯聚到預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)處。仿真結(jié)果表明,在0.9 eV時(shí)仿真的焦距為2.03 mm,和預(yù)設(shè)值2 mm 基本吻合,其沿x-軸的交叉偏振光強(qiáng)度分布曲線的半峰全寬(FWHM)為0.196 mm,顯示了超透鏡出色的聚焦性能。我們?cè)O(shè)計(jì)的超表面可以實(shí)現(xiàn)較理想的光束聚焦,在太赫茲成像、高分辨率太赫茲顯示器、太赫茲通訊等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)為設(shè)計(jì)可重構(gòu)透射型聚焦透鏡提供了良好的指導(dǎo)意義。