[发明专利]一种焦距可调的石墨烯超材料透镜及其设计方法

说明书

本发明公开了一种焦距可调的超材料透镜及其设计方法。本方法的步骤包括：选定超材料即石墨烯/介电层周期堆叠结构，确定超材料中各层的结构参数及特性参数，确定超材料的工作频率；简化超材料的等效张量，关注张量中的各元素与哪些参数有关；针对工作频率，调节石墨烯化学势μ_c，使超材料的色散曲线能在椭圆与双曲线间切换，使该透镜能在凹透镜与凸透镜间切换；进一步调节石墨烯化学势μ_c，使超材料的双曲线型色散曲线的开口大小能随之变化，进而调节该透镜的焦距长度；获得该透镜的工作效率。本发明的透镜结构简单，使用时只需改变石墨烯的化学势，工作条件易于达到。本发明能广泛应用于定向天线、定向耦合和光子集成电路等领域。

技术领域

本发明属于光电子、光通信等领域。具体涉及一种焦距可调的石墨烯超材料透镜及其设计方法。

背景技术

超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。自1999 年“超材料”一词由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校Rodger M.Walser教授提出以来，人们对超材料的应用给予了广泛的关注。特别是在光通信、光电子集成技术领域，如超透镜、滤波器、自准直透镜等有着广阔的应用前景。近年来，因光学微透镜是光耦合、光波整形等领域中的核心器件之一，因此可调超材料透镜及其应用成为业界关注的热点。石墨烯超材料可调透镜通过调节超材料外场偏压，使得单色光束辐射穿过超材料后，在空气中发散或汇聚；光束汇聚时，汇聚点连续变化。它的特点一方面在于体积小易于集成，另一方面在于便捷可调。现有可调透镜的公开文献，一种是改变光子晶体的晶格常数或机械地改变圆柱体的折射率，另一种是采用金属/介电层超材料结构。前者存在调节不够便捷、结构复杂等问题，后者金属不可避免地带来了高损耗。

因此本发明提出利用超材料即石墨烯/介电层周期堆叠结构，通过对超材料施加外场偏压，使得石墨烯化学势μ_c发生变化，引起超材料的等效张量即ε_eff变化，从而调控出射光束在空气中的焦距。我们发现在这类结构中，超材料色散曲线可实现椭圆与双曲线的切换，因此这种超材料结构能天然地充当凹透镜和凸透镜。基于此结构设计的新型石墨烯超材料可调透镜，可以有效解决之前的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种焦距可调的石墨烯超材料透镜及其设计方法，使该透镜具有结构简单、面积小巧、调节便捷、透射率高等优点。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种焦距可调的石墨烯超材料透镜的设计方法，包括以下步骤：

步骤1:选定超材料即石墨烯/介电层周期堆叠结构，确定石墨烯、介电层的结构参数及特性参数，确定超材料的工作频率f；

步骤2：根据等效介质理论简化超材料的等效张量ε_eff，关注张量中的各元素与石墨烯、介电层的哪些结构参数及特性参数有关；

步骤3：针对超材料的工作频率f，调节石墨烯化学势μ_c，使超材料的色散曲线能在椭圆与双曲线间切换，使该透镜能在凹透镜与凸透镜间切换；

步骤4：进一步调节石墨烯化学势μ_c，使超材料的双曲线型色散曲线的开口大小随之变化，进而调节光束在空气中聚焦点的位置即该透镜的焦距长度l；

步骤5：获得该透镜的工作效率，即透射率随石墨烯化学势μ_c变化的曲线。

进一步地，步骤1中所述的石墨烯/介电层周期堆叠结构指由石墨烯、介电层组成的一维周期结构，其中介电层结构参数及特性参数包括介电层厚度d、介电常数ε_d、磁导率μ_d，石墨烯结构参数及特性参数包括石墨烯厚度D、现象学散射率Γ、温度T、化学势μ_c、磁导率μ_g。选定超材料的工作频率f＝30THz，即波长λ＝10μm，使该石墨烯/介电层周期堆叠结构满足亚波长结构。