一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料

1.本发明属于光学技术领域，具体为一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料。

背景技术：

2.光束的偏移效应是指在两种不同媒质的分界面上，反射光束相对于入射光束的几何光学位置存在一个侧向位移，即古斯-汉森(goos-gh)位移，最早由古斯和汉森在实验上测得。随后，artmann使用静态相位法解释了古斯-汉森位移的产生机理。早期因空间古斯和汉森位移只有几个波长的量级，刚开始很难在实验上进行验证，在实践中也不易体现出其应用价值。后续研究表明，部分反射光也可以存在古斯-汉森位移，而且量级还可以进一步提高。另外，反射光束还可以在角度的偏转，产生角位移。
3.光束的侧向偏移在光学器件中具有重要的潜在应用，比如光学信息的存储、光学开关、传感器等。因此获得增强的光束偏移，以及进一步挖掘古斯-汉森位移的潜在应用价值，是人们一直努力的方向。研究发现，当材料中存在弱损耗时，可以诱发几十倍波长量级的古斯-汉森位移；而对于手性特异材料，通过改变材料一定的物理参数，可从多角度调控古斯-汉森位移，但是现有技术中对于手性特异材料，共同极化较强而交叉极化较弱，即在布鲁斯特角附近，可以实现共同极化的反射光束的古斯-汉森位移的正或负增强，而对于交叉极化的反射光束，古斯-汉森位移虽也能增强，但增强值不够理想。
4.另外，石墨烯作为一种新兴的二维材料，其电导率可调，具有良好的电学和力学特性，被广泛应用科学研究和生产实践中。但是对于石墨烯与手性特异的材料构成的复合材料研究较少，同时基于石墨烯的可调电导特性，我们将石墨烯与手性特异材料进行复合，由此来更好地实现对共同极化和交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的调控。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，包括手性特异材料a、手性特异材料b和石墨烯层，所述手性特异材料a和所述手性特异材料b以所述石墨烯层为对称中心在其两侧分别呈ab和ba排列，形成对称结构。
7.优选的，所述手性特异材料a的相对介电常数εa＝2+0.01i，手性参数κa＝2。
8.优选的，所述手性特异材料b的相对介电常数εb＝3+0.01i，手性参数κb＝3。
9.优选的，所述手性特异材料a和手性特异材料b的相对磁导率均为1。
10.优选的，所述手性特异材料a和手性特异材料b的厚度最大均不超过10μm。
11.优选的，所述石墨烯层由单层或多层单层石墨烯构成，单层石墨烯的厚度为
0.34nm。
12.优选的，手性特异材料a和手性特异材料b的厚度可调。
13.本发明的有益效果如下：
14.本发明通过将石墨烯与各向同性手性特异材料进行复合，只需单层石墨烯，就可以提高反射光束的古斯-汉森位移，尤其是实现交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的增强；通过改变手性特异材料的结构参数，在布儒斯特角附近，古斯-汉森位移的正或负增强可高达200倍波长；还可以通过石墨烯的化学势调控古斯-汉森位移的大小；而且该位移对入射角、入射频率较为敏感，可应用于高灵敏度的传感器。
附图说明
15.图1为本发明实现光束侧向偏移调控的含石墨烯的手性特异复合材料的结构示意图；
16.图2(a)是改变手性材料a的厚度，交叉极化的反射率随入射角的变化关系；图2(b)是共同极化的反射率随入射角的变化关系；图2(c)是交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随入射角的变化关系；图2(d)是共同极化反射光束的古斯-汉森位移随入射角的变化关系；
17.图3是改变手性材料b的厚度，交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随入射角的变化关系；
18.图4(a)改变石墨烯的层数，即改变石墨烯的厚度时，交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随小入射角的变化关系；4(b)图为交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随大入射角的变化关系；
19.图5(a)交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随石墨烯化学势的变化关系；图5(b)交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随入射频率的变化关系；
20.图6为本发明石墨烯的手性特异复合材料截面示意图。
21.图中：1、手性特异材料a；2、手性特异材料b；3、石墨烯层。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，以石墨烯层为对称中心，左边和右边的各向同性手性特异材料分别以ab和ba形式排列，形成对称结构，最终构成一个多层特异复合材料，如图1所示。其中，手性特异材料a的相对介电常数εa＝2+0.01i，手性参数κa＝2；手性特异材料b的相对介电常数εb＝3+0.01i，手性参数κb＝3，两者的相对磁导率均为1。两种手性材料的厚度在10μm之内，可根据实际需要的调控每种手性材料的厚度。单层石墨烯的厚度为0.34nm。实线1表示入射光线，虚线2表示几何光学预测的反射光线，实线3表示发生负古斯-汉森位移(用-δ表示)的反射光线，实线4表示发生正古斯-汉森位移(用+δ表示)的反射光线，实线5表示透射光线。
24.本发明考虑横磁波(tm波，p极化波)以θi角入射，考虑手性材料中有右旋波和左旋波两种本征波，则对应的波数为k
jr
和k
jl
，入射的角度为θ
jr
和θ
jl
，手性材料的厚度为dj，j＝a,b分别对应手性介质a和b。对于石墨烯材料，波数为kc，入射角为θc，厚度为dc＝ngtg，ng为石墨烯层数，tg是单层石墨烯厚度，大约为0.34nm。
25.本发明计算石墨烯相对介电常数采用drude近似公式如下：
[0026][0027]
其中，ω为频率，ε0为真空介电常数，是约化普朗克常数，τ为弛豫时间，e为电子电荷，ef为化学势。本发明中环境温度设置为常温t＝300k，化学势设定为ef＝0.65ev。
[0028]
我们利用传输矩阵法得到反射光、透射光及入射光之间的电场振幅关系如下：
[0029][0030]
其中m0,m
ab
,m
ba
,m
bg
,m
gb
和m
t
分别为空气层至a层、a层至b层、b层至a层、b层至石墨烯层、石墨烯层至b层和a层至空气层的传输矩阵。各矩阵表示如下：
[0031][0032]
[0033][0034][0035][0036]
其中，m
1r(1l)
＝cosθ
ar(al)
/cosθi，m
rr(ll)
＝cosθ
ar(al)
/cosθ
br(bl)
，m
lr(rl)
＝cosθ
ar(al)
/cosθ
bl(br)
，m
blc(brc)
＝cosθ
bl(br)
/cosθc，n
jr(l)
＝exp[ik
jr(l)
cosθ
jr(l)dj
],(j＝a,b)，nc＝exp[ik
c cosθcdc]。
[0037]
根据振幅关系，可以推导出共同极化反射系数和交叉极化反射系数分别为
[0038][0039]
反射系数反射系数为反射系数的相位。
[0040]
图2(a)和2(b)给出了入射频率为50thz(λ＝6μm)的情况，手性特异材料b的厚度不变db＝5μm，改变手性特异材料a的厚度时，交叉极化反射率和共同极化反射率。对于交叉极化反射率，随入射角的变化整体反射率较小，但对于不同的厚度出现多个极小值，即存在多个布儒斯特角；而对于共同极化反射率，随入射角的变化也存在极小值，但入射角越大，反射率越大。
[0041]
本发明采用稳态相位法计算，反射光束的古斯-汉森位移表达式如下：
[0042][0043]
图2(c)、2(d)给出了交叉极化反射光束和共同极化反射光束的古斯-汉森位移随入射角的变化关系。古斯-汉森位移的增强都对应的反射率的较小值，即位于布儒斯特角处。根据以往的研究，没有石墨烯时，共同极化反射光束的古斯-汉森位移要远大于交叉极化反射光束的古斯-汉森位移。本发明中，对于交叉极化反射光束的古斯-汉森位移能够在
多个入射角得到增强，对于不同的手性特异材料的厚度，增强峰有正有负，da＝5μm时，正的增强峰值最大可接近200λ；而对于共同极化反射光束的古斯-汉森位移则较小，最大增强峰的值不超过10λ。因此，在多层结构中添加石墨烯，可以大大提高交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的量级。
[0044]
图3是手性特异材料a的厚度不变da＝5μm，改变手性特异材料b的厚度时，交叉极化反射光束的古斯-汉森位移随入射角的变化关系。图中显示，古斯-汉森位移始终存在三个增强峰，对应三个布儒斯特角，其中一个相对较小的负增强峰对应最小的布儒斯特角(15
°
～30
°
之间)，两个较大的正增强峰对应较大的布儒斯特角(30
°
～55
°
，55
°
～80
°
之间)。随着厚度的增加，三个布儒斯特角均减小，则三个增强峰向小入射角移动。对应于最大布儒斯特角(55
°
～80
°
之间)的正增强峰，随着厚度的增加，增强峰值也增大，当db＝7μm时，最大增强峰值可接近300λ。这表明，该位移对手性特异材料b的厚度极其敏感，该结构可应用于高灵敏度传感器。
[0045]
石墨烯的加入，可实现交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的增强。图4给出了手性特异材料a和b的厚度不变da＝db＝5μm时，石墨烯层厚度对交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的影响。结果显示石墨烯层数越多，厚度越大，增强峰反而会减弱，4(a)和4(b)分别对应于小入射角和较大入射角时的古斯-汉森位移。可见，只需单层石墨烯，就可以实现交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的极大增强。
[0046]
图5(a)给出了三个不同入射角时，交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的增强峰值随石墨烯化学势的变化。这三个入射角则分别对应于三个布儒斯特角。对于不同的布儒斯特角，在化学势大于0.1ev时，增强峰值随着化学势的增大始终减小。但在0.01～0.1ev之间时，会存在一个最优化学势，使得增强峰值达到最大，如化学势为53mev，47mev时，增强峰值可达182λ(黑实线)、1000λ(红虚线)，对于最大的布儒斯特角，当化学势足够小为5mev时，增强峰值更是可达104λ。由此可得，在本复合材料中，如果想获得足够大交叉极化反射光束的古斯-汉森位移，则可以适当的减小石墨烯的化学势。图5(b)显示了三个布儒斯特角时，交叉极化反射光束的古斯-汉森位移频谱。图中显示古斯汉森位移随频率的变化可实现正或负的增强，同时增强峰在50thz时对于不同的布儒斯特角，可实现正或负的最大值。说明古斯-汉森位移对频率极其敏感，可用于高灵敏度的频率传感与检测。
[0047]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0048]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：包括手性特异材料a(1)、手性特异材料b(2)和石墨烯层(3)，所述手性特异材料a(1)和所述手性特异材料b(2)以所述石墨烯层(3)为对称中心在其两侧分别呈ab和ba排列，形成对称结构。2.根据权利要求1所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：所述手性特异材料a(1)的相对介电常数ε
a
＝2+0.01i，手性参数κ
a
＝2。3.根据权利要求1所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：所述手性特异材料b(2)的相对介电常数ε
b
＝3+0.01i，手性参数κ
b
＝3。4.根据权利要求1所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：所述手性特异材料a(1)和手性特异材料b(2)的相对磁导率均为1。5.根据权利要求1所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：所述手性特异材料a(1)和手性特异材料b(2)的厚度最大均不超过10μm。6.根据权利要求1所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：所述石墨烯层(3)由单层或多层单层石墨烯构成，单层石墨烯的厚度为0.34nm。7.根据权利要求5所述的一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，其特征在于：手性特异材料a(1)和手性特异材料b(2)的厚度可调。

技术总结

本发明属于光学技术领域，且公开了一种可实现光束侧向偏移调控的基于石墨烯的手性特异复合材料，包括手性特异材料A、手性特异材料B和石墨烯层，所述手性特异材料A和所述手性特异材料B以所述石墨烯层为对称中心在其两侧分别呈AB和BA排列。本发明通过将石墨烯与各向同性手性特异材料进行复合，只需单层石墨烯，就可以提高反射光束的古斯-汉森位移，尤其是实现交叉极化反射光束的古斯-汉森位移的增强；通过改变手性特异材料的结构参数，在布儒斯特角附近，古斯-汉森位移的正或负增强可高达200倍波长；还可以通过石墨烯的化学势调控古斯-汉森位移的大小；而且该位移对入射角、入射频率较为敏感，可应用于高灵敏度的传感器。可应用于高灵敏度的传感器。可应用于高灵敏度的传感器。