阅读说明：本技术 一种实现类电磁诱导透明效应的超材料及方法 (Metamaterial and method for realizing electromagnetic-like induced transparent effect ) 是由 韦中超 孙昊瀛 许宁 于 2019-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种实现类电磁诱导透明效应的超材料及方法,衬底以及在所述衬底上的周期性的结构子单元,所述结构子单元包括作为暗模谐振器的平行切割线对和作为亮膜谐振器的垂直切割线对,所述平行切割线对和所述垂直切割线对由金属材料制成；在结构子单元和衬底之间设置有两条不同宽度的墨烯带,一条石墨烯带置于亮膜谐振器下实现透射窗的展宽,另一条石墨烯带用于连接所有亮膜谐振器。本发明应用前景广泛。(The invention relates to a metamaterial and a method for realizing an electromagnetic induction-like transparent effect, and further relates to a substrate and a periodic structure subunit on the substrate, wherein the structure subunit comprises a parallel cutting line pair serving as a dark mode resonator and a vertical cutting line pair serving as a bright film resonator, and the parallel cutting line pair and the vertical cutting line pair are made of metal materials; two graphene strips with different widths are arranged between the structural subunit and the substrate, one graphene strip is arranged under the bright film resonator to realize widening of the transmission window, and the other graphene strip is used for connecting all the bright film resonators. The invention has wide application prospect.)

一种实现类电磁诱导透明效应的超材料及方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种实现类电磁诱导透明效应的超材料及方法。

背景技术

电磁诱导透明(EIT)描述的是在宽吸收曲线中产生的尖锐透射窗口的一种实验现象，这种现象伴随着光的色散特性的改变，因此具有许多潜在的应用，如慢光、生物化学传感、滤波等。这种现象最开始是在三能级原子系统实验中发现的，是由两个不同激发路径之间产生的量子破坏性干扰引起的。但由于原子系统的实验需要极其苛刻的条件，如光泵浦和极端低温等，使得EIT的应用受到了极大的限制。最近，人们提出了电磁感应透明的类似物(EIT-like)，即基于超材料来实现类电磁诱导透明效应。基于类EIT的超材料具有设计灵活、易于实现等优点，可以在太赫兹波段有着广泛的应用。

虽然目前人们做了很多类EIT的超材料的研究，但是发明人在研究中发现，现有技术的缺陷在于：这些类EIT超材料的透射窗带宽较窄，严重限制了类EIT的应用范围，并且现有技术为解决窄带宽的问题只能通过调整超材料结构的几何尺寸，这对于固定结构的超材料的实际应用非常不方便。因此迫切需要进一步研究更加简单实用的方法来实现透射窗的展宽。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述问题，本发明提供一种实现类电磁诱导透明效应的超材料及方法。

一种实现类电磁诱导透明效应的超材料，包括衬底以及在所述衬底上的周期性的结构子单元，所述结构子单元包括作为暗模谐振器的平行切割线对和作为亮膜谐振器的垂直切割线对，所述平行切割线对和所述垂直切割线对由金属材料制成；在结构子单元和衬底之间设置有两条不同宽度的墨烯带，一条石墨烯带置于亮膜谐振器下实现透射窗的展宽，另一条石墨烯带用于连接所有亮膜谐振器。

所述石墨烯带的表面电导率σ_g的计算公式如下：

其中e是电子电荷，K_B是玻尔兹曼常数，T是环境温度，是简化的普朗克常数，ω是入射光的角频率，Γ是载流子弛豫时间，E_F是石墨烯的费米能级。

在太赫兹波段中，根据泡利不相容原理，在满足石墨烯的费米能级E_F＞＞K_BT与的情况下，石墨烯带的表面电导率σ_g的计算公式可简化如下：

其中，e是电子电荷，是简化的普朗克常数，ω是入射光的角频率，Γ是载流子弛豫时间，E_F是石墨烯的费米能级。

所述金属材料为铝。

所述铝的光学性质表示如下：

其中γ为阻尼常数，ω是入射光的角频率，ω_P为等离子体频率。

一种实现类电磁诱导透明效应的方法，在上述的超材料的上下两极施加电压，从而改变石墨烯带的费米能级，在石墨烯带的费米能级变化的过程中，所述平行切割线对和所述垂直切割线对之间产生破坏性干涉现象，从而产生类电磁诱导透明现象。

所述平行切割线对和所述垂直切割线对之间产生破坏性干涉现象的共振频率为2.14THz。

控制所述置于亮膜谐振器下实现透射窗的展宽的石墨烯带的宽度变化，可以实现透射光谱透射窗带宽连续变化。

所述透射窗带宽从0.4-1.29THz连续调制。

控制石墨烯的费米能级从0.4增加到1.2ev，可以动态地实现光谱消光比从32％到94％可调。

本发明的有益效果是：

本发明所提出的实现类电磁诱导透明效应的超材料，由平行切割线对、垂直切割线对和两条不同宽度的石墨烯带组成，实现了透射窗带宽从0.4-1.29thz的连续调制。另一方面，可以通过调节石墨烯的费米能级来实现光谱消光比的范围可调。本发明提供的类EIT超材料在太赫兹通信中的宽带慢光器件、滤波器和调制器上有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是超材料明暗模结构和超材料整体结构的示意图；

图2是石墨烯电导率与费米能级的关系图；

图3是超材料器件中的PCWP、VCWP以及整体结构EIT的透射谱线图；

图4是超材料透射光谱与石墨烯带宽读w的关系图；

图5是石墨烯的不同费米能级下的透射光谱示意图；

图6是石墨烯费米能级在0.4eV和1.2eV，超材料在0.82THz下的电场分布；

图7是不含石墨烯的超材料的传输相移和群延迟。

具体实施方式

本发明提出了一种实现类电磁诱导透明效应的超材料，具体是一种混合金属石墨烯超材料，用于实现在太赫兹光谱下展宽类EIT的透射窗。和以往的超材料相比，该超材料在最宽的带宽和可调的带宽范围内具有优越的性能。该超材料为主动控制EIT传输窗口提供了一种新的途径，在太赫兹通信中的宽带慢光器件、滤波器和调制器上有着广阔的应用前景。

图1(a)展示了实现类电磁诱导透明效应的超材料的立体示意图。他的子单元结构是由一个作为暗模谐振器的平行切割线对(PCWP)和一个作为亮模谐振器的垂直切割线对(VCWP)组成。金属铝作为明暗模谐振器的材料。在衬底上铺有两条不同宽度的石墨烯带，一条是放置在亮模谐振器下用来实现透射窗的展宽，另一条用于连接所有子单元结构。所有的超材料结构结构都铺设在由相对介电常数为11.7的的衬底上。衬底和铝的厚度分别为400nm和200nm。图1(b)描述了类EIT超材料单个子结构的参数。具体的，在本实施例中，px＝80微米，py＝120微米，L＝60微米，m＝5微米，w＝4.5微米，n＝42微米，s＝4微米，r＝1微米，d＝10微米。

选择铝(Al)作为明暗模谐振器的材料，德鲁德模型在太赫兹波段可以用下公式描述：

式中γ为阻尼常数，ω为等离子体频率，值分别为1.22×1014rad/s和2.24×1016rad/s。石墨烯的导电性是影响它性能的主要因素。根据Kubo方程，石墨烯的导电率由带内导电率和带间导电率组成：

式中kb为玻尔兹曼常数，e为电子电荷，t为环境温度(t＝300K)，为简化的普朗克常数，ω为入射平面波角频率。公式中石墨烯的费米能级用ef表示，平均弛豫时间用Γ表示。在太赫兹波段根据泡利不相容原理，石墨烯的带内部分导电率可以忽略不计。当石墨烯满足E_F＞＞K_BT和条件时时，可以用简化的德鲁德公式表示：

载流子弛豫时间定义为其中V_F表示费米速度，μ是载流子迁移率。石墨烯在不同费米水平下的导电性如图2所示。

为了研究所提出的EIT超材料的功能，我们使用了有限差分时域(FDTD)软件。在模拟计算中，基本设置如下：背景折射率设置为1.0，模拟温度为300T，在x和y方向应用周期性边界条件，在z方向应用完全匹配的层。图3(a)显示了三种超材料的透射光谱，包括PCWP、VCWP和两者的结合。从图中可以看出，VCWP超材料的光谱特性表明它存在对称的洛伦兹型共振模式，其中心频率位于2.14太赫兹。相比之下，PCWP超材料对入射光没有光学响应，在太赫兹波段几乎完全透射传输。当平面波沿X方向偏振照射时，在VCWP和PCWP相结合下，可以得到一个带宽为0.33Thz的类EIT透射窗口。

为了展示EIT超材料中透射窗形成的物理机制，我们绘制了VCWP、PCWP和组合超材料在2.14太赫兹共振频率下的透射电场分布，如图3(b-d)所示。图3(b)表明VCWP与入射平面波的强耦合可以激发部分表面等离子体(PSP)。图3(c)是PCWP的电场分布图，表明其在相应频率下不会被入射光激发，这是由于入射平面波偏振方向沿结构的X方向对称，从而导致了他的电场分布非常弱。从这点上我们可以证明VCWP和PCWP分别为亮模和暗模。暗模通过近场耦合可以被亮模引起的局域场激发。图3(d)描述了2.14太赫兹下EIT超材料的电场分布。当PCWP和VCWP集成到子单元中，在PCWP两端有强电场集中，这表明PCWP在VCWP的激励下变为单极模式。正是由于单极模式和偶极模式之间的破坏性干扰导致了类EIT效应的产生。

为了获得更宽的EIT传输窗口，我们在在VCWP下添加了石墨烯。首先我们研究了石墨烯结构尺寸对透射窗的影响。结构局部示意图如图4(a)所示。图4(b)显示了石墨烯在不同w(费米能级固定在1.2ev)下的透射光谱。当W的长度从0.5微米增加到4.5微米时，左透射谷逐渐向蓝色谱移动，而右透射谷基本不发生变化。我们在图4(c)中绘制了不同长度w的透射谱线的带宽变化。传输窗口的带宽可以从0.4增加到1.29thz。值得注意的是在调制过程中传输窗口的振幅没有变化。

接下来，我们研究了石墨烯在不同费米能级下的透射窗的变化。图5显示了费米能级从0.4到1.2ev的透射光谱。在加入石墨烯并将其费米能级调节到0.4eV，与没有石墨烯的情况相比，左透射谷的频率蓝移到0.71thz并且透射振幅为0.64，而右透射谷共振频率几乎不变。随着费米能级从0.4ev增加到1.2ev，左右透射谷的振幅逐渐下降。当石墨烯的费米能级达到1.2eV时，左右透射谷的最大调制深度分别为85％和92％。我们用光谱消光比来评估EIT超材料器件的性能，它可以描述为：

S_con＝(T_peak-T_dip)/(T_peak+T_dip)×100％

其中，T_peak是透射峰值处的强度，T_dip是传输谷的强度。在调制过程中通过增加石墨烯的费米能级，可以动态地实现光谱消光比从32％到94％可调。所以，本实施例提出的EIT超材料在光学滤波器和调制器上有着广阔的应用前景。

为了解释这种新现象背后的物理机制，我们绘制了石墨烯在0.4eV和1.2eV在0.82太赫兹共振频率下的相应透射电场分布。具体参见图6。

如图6(a)所示，当石墨烯的费米能级为0.4eV时，由于石墨烯的低导电性，阻碍了VCWP谐振器与PCWP谐振器之间电流的能量传递，从而抑制了EIT的形成，从而导致了左右透射谷高透射的出现。当石墨烯的费米能级增加到1.2ev时，其中VCWP的电场显著下降，而PCWP的电场显著增加。亮模谐振器上的能量几乎全部转移到暗模谐振器上，高强度电场集中在暗模谐振器的两端。通过调整石墨烯的费米能级，可以实现对光谱消光比的主动调制。

慢光是由于透射窗中的强色散而产生的，是EIT最重要的应用之一。群延迟tg用于表示慢光的能力，可通过以下公式计算：

这里，φ是EIT引入的相位变化。图6显示了没有石墨烯的EIT超材料的相位改变和群延迟。透射窗口中存在3.48ps的群延迟，这表明我们所设计的器件在慢光方面性能良好。

综上所述，我们提出了一种超材料。它由平行切割线对(PCWP)、垂直切割线对(VCWP)和两条不同宽度的石墨烯带组成。通过仿真计算，我们证明了我们所设计的EIT超材料实现了透射窗带宽从0.4-1.29thz的连续调制。另一方面，可以通过调节石墨烯的费米能级来实现光谱消光比的范围可调。此外，我们计算了慢光效应的群延迟。我们相信我们所设计的类EIT超材料在太赫兹通信中的宽带慢光器件、滤波器和调制器上有着广阔的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。