[实用新型]一种基于石墨烯超表面焦距可调的高效超反射镜

说明书

本实用新型公开了一种基于石墨烯超表面焦距可调的高效超反射镜，该超反射镜包括三层结构，由上到下依次为石墨烯超表面层、二氧化硅介质层和金属基底层；其中在石墨烯超表面层和金属基底层间设有偏置电压装置，用于改变石墨烯的费米能；通过改变石墨烯超表面层上蚀刻椭圆孔径的旋转角，对反射波的相位进行调控，可以使超反射镜实现高效的反射聚焦效果；在此基础上，改变入射太赫兹波的频率，可得到不同频率下所对应的不同焦距的聚焦情况，实现宽带聚焦和对超反射镜的动态调控。本实用新型的超反射镜不仅具有高达78％的高反射率性能，同时具有焦距可调、宽带聚焦和离轴聚焦性能，灵活的可调控性，其实用价值更高，应用面更广。

技术领域

本实用新型涉及一种基于石墨烯超表面焦距可调的高效超反射镜，属于红外与太赫兹物理及技术和光子与光电子器件领域。

背景技术

超材料是由人工制造对电磁场具有特殊响应的人造谐振结构组成的，通过其人工结构的特性和组合的“序”性质来调控“波”的行为，其性质不仅依靠构成材料的物理特性更取决于单元结构对波的响应，具有一些自然界中很难存在或者不可能存在的奇特的物理性质。由于超材料本身是一种复杂的三维结构，这就给超材料在制造生产方面有着巨大的困难。而将亚波长人工微结构组成超薄二维阵列平面，其制作过程变的相对简单，并且减小了对电磁波的损耗。这种超表面结构可以实现对电磁波的相位、振幅、偏振状态、传播方向进行灵活有效的调控，由于其在设计上具有灵活性以及功能的多样性，通过改变其亚波长结构单元的几何参数，局部的调整电磁波的振幅和相位，就可以形成空间变化的电磁波分布特性，实现波前操控的目的，将波前调控成指定的形状。这使得超表面在集成光学、能量收集、隐身技术领域、微波和太赫兹波领域有着重要的应用前景，在纳米天线、微纳光电子器件、传感与成像领域起到了重要的作用。

石墨烯作为一种由碳原子构成的六角形蜂巢晶格结构的二维材料不仅有优异的光学、电学、力学特性，并且在太赫兹波段具有如金属般负的介电常数，可以在太赫兹波段支持表面等离子体共振。然而，传统的大部分金属和介质超表面结构一旦确定，其工作波段、性质很难改变，以至于无法实现灵活调控，无法满足科技日益发展的需求，但石墨烯作为一种新型超材料，它的表面电导率可以通过化学掺杂和外加电压的方式进行灵活的调控，具有超凡的可调性，可以实现对太赫兹波的有效操纵。

目前，在本领域中使用的超表面透镜，大多数是由工作在太赫兹和中红外波段的金属纳米结构或者介质材料构成的超表面结构，其通过对电磁波的的振幅和相位进行调控，进行实现波前调控。但是此种结构的可调节性能低，在超表面制作完成之后便不能对其进行灵活的调节。在太赫兹和中红外波段，介质和金属材料中的电子和光的相互作用变弱，并且由于金属纳米结构的自身欧姆损耗，导致此种超透镜的工作效率极低，这限制了金属和介质超表面在太赫兹中红外波段的应用。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种基于石墨烯超表面焦距可调的高效超反射镜，通过改变石墨烯超表面层上蚀刻椭圆孔径的旋转角，对反射波的相位进行调控，可以使超反射镜实现高效的反射聚焦效果；改变入射太赫兹波的频率，可得到不同频率下所对应的不同焦距的聚焦情况，实现宽带聚焦和对超反射镜的动态调控。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种基于石墨烯超表面焦距可调的高效超反射镜，由上到下依次为石墨烯超表面层、二氧化硅介质层和金属基底层，在该结构的石墨烯超表面层和金属基底层之间还外加上偏置电压装置，其作用是调控石墨烯超表面层的费米能级；在石墨烯超表面层上蚀刻有大小、形状和尺寸相同的椭圆孔径阵列，并且蚀刻的椭圆孔径结构的旋转角度不全相同，用以调控反射波的振幅和相位；该椭圆孔径阵列在x-y平面上呈周期性排布，通过对椭圆孔径的旋转角度进行合理设置，以实现该反射聚焦镜对反射太赫兹波的高效聚焦性能。

进一步地，蚀刻的椭圆孔径结构的长轴为7微米，短轴为3微米，在其所在的x-y平面上以8微米为周期排列分布。