[发明专利]基于石墨烯的可调节长波通型滤光器

说明书

本发明提供一种基于石墨烯的可调节波长范围的长波通过型的滤光器。该器件在光学窗口表面覆盖石墨烯薄膜，在石墨烯表面覆盖离子液体或者离子凝胶，从石墨烯和光学窗口引电极连接至电压源。通过调节电压可改变石墨烯的费米能级进而调节某特定波长范围的光透过率，即调节滤光器截止波长的位置，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过，最终实现可调节的长波通过型滤光器。与传统的滤光器先比，本发明提供的滤光器的截止波长范围可调，功耗低等特点，可方便替换传统滤光器，可广泛应用于光学工程，光学仪器等领域。

技术领域

本发明涉及一种光学器件，特别是涉及一种长波通过型的滤光器。

背景技术

滤光器(或称滤波器)可以使特定波长的光通过，其他波长的光反射，衰减或者吸收的光学元器件。滤光器在光学工程和光学仪器是必不可少的基本光学元器件。从结构和原理上讲，一般的滤光器分为片有色玻璃滤光片(包括染色塑料和胶片滤光片) 和介质膜滤光器；有色玻璃滤光片属于吸收型滤光器，介质膜滤光片属于干涉型滤光器。从功能上，滤光器可以分为陷波型，带通型，短波通型和长波通型。光通过有色玻璃(染色塑料或胶片)滤光片时候，相同颜色的光被玻璃吸收，其他颜色的光通过。而干涉型滤波器则是在光学窗口的表面沉积多层光学材料制备而成的，光在这些光学材料层之间干涉相消或相长达到滤波效果。通常情况下，有几个由间隔层隔开的介质膜堆，而介质膜堆由大量的高、低折射率交替的介质层组成。两个介质膜堆和中间的间隔层组成法布里-珀罗腔结构。通过调节法布里-珀罗腔结构就可以使特定波长的光干涉相消(即削弱透射增加反射光强度)或者干涉相长(即增加透射光强度)。让某特定波长附近的光不通过，其他波长的光通过的滤波器称作陷波型滤波器，反之，则称作带通滤波器。让某特定波长以上的光通过，而该波长以下的光不通过的滤波器称作长通型滤波器，反之，则称作短通型滤波器。滤光器(或称滤波器)在光学工程，光学分析仪器，光学探测器等方面都有广泛的应用，比如摄影，电器照明，红外光谱探测技，红外成像仪，拉曼光谱仪，激光器等等。

石墨烯是近些年新兴的一种碳材料，只有一个原子厚度，约0.3纳米。它具有极为优异的光学，电学和热学性质，并且具有非常高的机械强度，导电性比铜和银更高，同时具有非常好的导热性和热稳定性，其在可见和红外光波段透明度高达97.7％。因此，它在电子学，光学等领域具有非常巨大的应用前景。由于石墨烯的电子能带呈现特殊线性色散结构，所以它是一种零带隙的半导体或者半金属。石墨烯是透明柔性材料，但是它在很宽的光谱范围仍然具有恒定的吸光率(≈2.3％)。通过调节石墨烯的费米能级位置可以调节某光谱范围的吸光率(或者透射率)。一般的方法是把石墨烯作为场效应晶体管器件(Fieldeffect transistor，FET)的沟道材料，通过改变栅极电压(顶栅或者背栅结构)，进而改变石墨烯内载流子浓度(电子或空穴)，而载流子浓度的改变就对应着费米能级的上下移动。当入射光子的能量小于费米能级改变量的一半的时候，价带没有能被激发的电子，光就不被吸收，反之则被吸收。当大于入射光子的能量一半以上的导带处能级被电子占据时，由于泡利不相容原理，入射光子无法激发相应能量的电子或者空穴从而导致该光子不能被吸收，反之，则能被吸收。也就是说，波长较长(能量较小)的光子会通过调节费米能级而不被吸收，波长较短(能量较大) 的光子则被吸收。总而言之，通过改变石墨烯场效应晶体管结构中的栅压可以调节石墨烯的透光率。