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引用本文:宋效先,张宇,郭学文,等. 双层石墨烯手性超表面实现圆二色性及其动态调控研究[J]. 光通信技术,2024,48(5):108-112.

双层石墨烯手性超表面实现圆二色性及其动态调控研究

宋效先1,2,张 宇2,郭学文2,张海婷2*,张晶晶2,戴子杰2,梁 莹2,姚建铨1,2

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津300072;2.江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212013)

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摘要:针对石墨烯手性超表面的研究主要集中在中红外波段,而在太赫兹波段的器件研究相对较少,以及石墨烯非本征结构产生的圆二色性不足的问题,根据石墨烯的特性设计了一种双层石墨烯手性超表面结构。该结构的上下两层石墨烯图案存在一定的夹角,通过调整这个夹角大小和中间层二氧化硅的厚度,研究了超表面结构的圆二色性。此外,还通过改变石墨烯的费米能级和弛豫时间,分析了超表面结构的动态调谐能力。仿真结果表明:该超表面结构能够在太赫兹频段实现圆二色性,并且具备动态调谐的能力。

关键词:超表面;石墨烯;太赫兹;圆二色性;费米能级;弛豫时间

中图分类号:O436;TN929  文献标志码:文章编号:1002-5561(2024)05-0108-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.05.018

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这篇文章主要探讨了利用双层石墨烯手性超表面实现圆二色性及其动态调控的研究。以下是对文件核心要点的总结:

  1. 研究背景与动机

    • 当前手性石墨烯超表面的研究主要集中在中红外波段,而在太赫兹波段的研究相对较少。

    • 石墨烯非本征结构产生的圆二色性相对较小,限制了其应用。

    • 利用石墨烯的优异电磁控制特性,设计了双层石墨烯手性超表面结构,旨在实现太赫兹波段的圆二色性及其动态调控。

  2. 双层石墨烯手性超表面设计

    • 结构由上下两层具有旋角的石墨烯图案组成,图案位于二氧化硅基底上。

    • 关键参数包括单元结构周期、镂空图案的尺寸、旋转角以及石墨烯的费米能级和弛豫时间。

    • 使用电磁仿真软件CST 2019进行建模和仿真,分析了不同参数对圆二色性的影响。

  3. 仿真结果与分析

    • 在光波垂直入射时,该结构在太赫兹频段实现了圆二色性,最大圆二色性在7 THz处达到29%。

    • 分析了共振频率下的电磁场特性,揭示了圆二色性产生的物理机制,包括磁偶极子和电偶极子的耦合作用。

    • 倾斜入射时,透射特性发生变化,实现了非对称传输特性。

  4. 动态调控能力

    • 通过改变石墨烯的费米能级和弛豫时间,实现了对圆二色性的动态调控。

    • 费米能级的变化导致圆二色性峰值及频率的蓝移,弛豫时间的变化则影响圆二色性的强度。

    • 这种动态调控能力为设计多功能光子器件提供了可能。

  5. 参数优化与性能比较

    • 分析了不同旋转角和二氧化硅厚度对圆二色性的影响,发现旋转角为60°时圆二色性最大。

    • 增加了中间层二氧化硅的厚度可以提高圆二色性强度,但也会带来蓝移和损耗增加的问题。

    • 与其他手性超表面性能进行了比较,展示了本文设计的结构在圆二色性和动态调控能力上的优势。

  6. 结论与展望

    • 本文设计的双层石墨烯手性超表面结构在太赫兹频段实现了显著的圆二色性,并具备动态调控能力。

    • 这种结构为实现可调谐偏振控制的集成光子器件提供了新的思路和方法。

    • 未来研究可进一步探索更多动态调控机制和优化结构设计,以提高圆二色性和其他光学性能。