一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器
阅读说明：本技术 一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器 (High-sensitivity optical wavelength sensor based on Gus-Hansen displacement ) 是由 刘芳梅 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器,属于光学技术领域。高灵敏度光波长传感器的光子晶体包括石墨烯单层,石墨烯单层的入射侧设置有第一周期性晶体,石墨烯单层的出射侧设置有第二周期性晶体,石墨烯单层与第一周期性晶体之间、石墨烯单层与第二周期性晶体之间分别嵌入有一缺陷层；第一周期性晶体包括交替分布的若干第一电介质层和若干第二电介质层,第二周期性晶体包括交替分布的若干第三电介质层和若干第四电介质层。本发明能够探测入射光波长和同时实现拓扑边界态附近大的反射率和古斯-汉森位移。(The invention provides a high-sensitivity optical wavelength sensor based on Gus-Hansen displacement, and belongs to the technical field of optics. The photonic crystal of the high-sensitivity optical wavelength sensor comprises a graphene single layer, a first periodic crystal is arranged on the incident side of the graphene single layer, a second periodic crystal is arranged on the emergent side of the graphene single layer, and a defect layer is respectively embedded between the graphene single layer and the first periodic crystal and between the graphene single layer and the second periodic crystal; the first periodic crystals include a number of first dielectric layers and a number of second dielectric layers that are alternately distributed, and the second periodic crystals include a number of third dielectric layers and a number of fourth dielectric layers that are alternately distributed. The invention can detect the wavelength of incident light and simultaneously realize large reflectivity and Gus-Hansen displacement near the topological boundary state.)
技术领域
本发明属于光学
技术领域
，涉及一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器。背景技术
当光照射到两种折射率分别为n1和n2的电介质上时，在电介质的分界面上，如果发生全反射，会有部分光场渗入下层介质内部，这就相当于在实际的分界面后面放置了一个虚拟的反射界面，那么，相对于原来几何光学预测的位置，反射光就会存在一个横向移动，该位移叫古斯-汉森位移，该现象叫古斯-汉森现象，最早由古斯(Goos)和汉森在实验上观测到。古斯-汉森位移的形成示意图如图1所示，其中符号Δ表示反射光束的横向位移，箭头线表示光束的中心轴线。
古斯-汉森位移可广泛应用于高灵敏度传感器和光开关。特别地，古斯-汉森位移对入射的光波长、入射角等特别敏感，故可应用高亮度波长和角度传感器。但是，在通常情况下，古斯-汉森位移比较弱，一般就几个波长或十几个波长，因此，这在实验上对古斯-汉森位移的检测以及应用造成很大的困难。因此，要得到基于古斯-汉森位移的高灵敏度波长和角度传感器，首先得提高古斯-汉森位移的量级。
人们采取多种方法来增强古斯-汉森位移，比如，利用光子晶体的带隙边缘态，以及材料的弱损耗，来得到较大的古斯-汉森位移。特别地，在非厄米光子系统(含有光增益和光损耗，或包含其一)中的异常点(exceptional points:EPs)和相干完美吸收激光点(coherent-perfect-absorption-laser point：CPA-LP)附近，会出现古斯-汉森极值，理论上达到无穷大。但是，在EPs的反射率为零，而且在其附近，反射率也非常低，另外，CPA-LP不是一个稳定光子态。因此，这激发我们探索稳定的、反射率大的，且能实现较大的古斯-汉森位移的光子器件。
古斯-汉森位移正比于反射系数的相位，在光子晶体的带隙边缘和缺陷模附近，反射系数的相位急剧改变，这就必然导致较大的古斯-汉森位移出现。为了进一步增大反射系数相位的变化率，可以将两种不同的光子晶体复合，得到拓扑边界态，在拓扑边缘态附近，反射系数相位变化更加剧烈。另外，石墨烯是一种新兴的二维材料，具有电导率可调节性，其表面电导率是其化学势的函数。单层石墨烯的透明的，但是，石墨烯中存在较弱的光学损耗系数。因此可以将石墨烯与光子晶体复合，来增强古斯-汉森位移，从而实现高灵敏度波长或角度传感器。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器，本发明所要解决的技术问题是得到一种能够探测入射光波长的高灵敏度光波长传感器。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于古斯-汉森位移的高灵敏度光波长传感器，其特征在于，高灵敏度光波长传感器的光子晶体包括石墨烯单层，所述石墨烯单层的入射侧设置有第一周期性晶体，所述石墨烯单层的出射侧设置有第二周期性晶体，所述石墨烯单层与第一周期性晶体之间、石墨烯单层与第二周期性晶体之间分别嵌入有一缺陷层；所述第一周期性晶体包括交替分布的若干第一电介质层和若干第二电介质层，所述第二周期性晶体包括交替分布的若干第三电介质层和若干第四电介质层。
进一步的，所述第一电介质层为氟化镁。
进一步的，所述缺陷层为氟化镁。
进一步的，所述第二电介质层为硫化锌。
进一步的，所述第三电介质层为硅。
进一步的，所述第二电介质层为二氧化硅。
光子晶体中的能带存在带隙。当光照射到光子晶体上时，如果光的频率位于带隙内的，则将没有光透过光子晶体，光束将会发生全反射。但是，如果在光子晶体中加入缺陷层，则能带的带隙中存在一个缺陷模。当入射光的频率等于缺陷模的频率，光束将无反射地全部通过光子晶体，此时的反射率为零，因此也将缺陷模叫作透射模。缺陷模的能量主要分布在缺陷层中，缺陷层的中心点处的能量分布最强。从缺陷层中心向光子晶体两边延伸，缺陷模的能量分布呈指数衰减。
反射光束的古斯-汉森位于正比于反射系数的相位对波矢的导数，由于缺陷模的反射率为零，缺陷模的反射系数的相位存在不确定性，因此，缺陷模的反射光束可能存在较大的古斯-汉森位移。但是，对于无增益和损耗的光子晶体，缺陷模的反射率为零，即便此时存在较大的古斯-汉森位移，但实际上也是无意义的。
我们将两种不同的光子晶体与缺陷层复合，可以得到拓扑边界态(也是一种缺陷模)。再将石墨烯嵌入到光子晶体的缺陷层中，利用石墨烯的弱损耗，减弱光子晶体对边界态的透射率，从而提高光的反射率。同时，石墨烯的弱损耗也会引起反射系数相位的急剧变化。根据反射光束的古斯-汉森位移正比于反射系数相位变化率，从而得到较大的反射光束的古斯-汉森位移。古斯-汉森位移是入射角、波长和折射率的函数，因此，当这种依赖关系比较密切时，可将这种效应应用于高灵敏度传感器。同时还可以实现边界态大的反射率和大的古斯-汉森位移。
附图说明
图1是古斯-汉森位移示意图。
图2是用作高灵敏度光波长传感器的光子晶体的结构示意图。
图3(a)是不含石墨烯的缺陷光子晶体中边界态附近的反射率；图3(b)是未镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中边界态的反射系数相位。
图4(a)是镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中光子晶体的反射率；图4(b)是镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中光子晶体的反射系数相位。
图5是用作高灵敏度光波长传感器的光子晶体的光子晶体中反射光束的古斯-汉森位移。
图6是基于古斯-汉森位移的光波长传感器的灵敏度系数。
图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；C、第三电介质层；D、第四电介质层；E、缺陷层；G、石墨烯单层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图2所示，用于光波长传感器的光子晶体由石墨烯单层G、两个缺陷层E、第一周期性晶体和第二周期性晶体组成，第一周期性晶体和第二周期性晶体对称分布在石墨烯单层G的两侧，其中一个缺陷层E嵌入第一周期性晶体和石墨烯单层G之间，另一个缺陷层E嵌入第二周期性晶体与石墨烯单层G之间，第一周期性晶体位于入射侧，第二周期性晶体位于出射侧，第一周期性晶体包括交替分布的若干第一电介质层A和若干第二电介质层B，第二周期性晶体包括交替分布的若干第三电介质层C和若干第四电介质层D。
石墨烯单层G被镶嵌在两个缺陷层E的中心点，如图2所示。第一电介质层A、第二电介质层B、第三电介质层C、第四电介质层D和缺陷层E的折射率分别为na＝1.38，nb＝2.35，nc＝3.53，nd＝1.46和ne＝2.35。第一电介质层A和缺陷层E均为氟化镁，第二电介质层B为硫化锌，第三电介质层C为硅，第四电介质层D为二氧化硅，第一电介质层A的厚度为的da＝0.281，第二电介质层B的厚度为db＝0.165，第三电介质层C的厚度为dc＝0.11，第四电介质层D的厚度为dd＝0.258，缺陷层E的厚度为de＝0.165μm。入射光线标记为1，反射光线标记为2，透射光线标记为3。
石墨烯被镶嵌在两个缺陷层的中间，即z轴的0点位置。石墨烯是没有厚度的二维材料，其的表面电导率可以用九堡公式(Kubo formula)来描述
其中，fd＝1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])为费米-狄拉克统计，ε是粒子能量，μc是石墨烯化学势(也叫作费米能级EF)，T是环境温度，e是电子元电荷，τ是动量弛豫时间，kB是玻尔兹曼常数。
可把石墨烯看成具有一定厚度的等效电介质，当其等效厚度低于1nm时，该等效方法对计算反射率和透射率的影响是可以忽略的。这时我们取石墨烯的厚度为0.34nm，即相当于单层原子的厚度。石墨烯的等效介电常数为εg＝1+iσgη0/(kdg)，其中k是入射波矢，η0是真空阻抗。环境温度为T＝27℃，动量弛豫时间τ＝0.5ps,μc＝0.15eV。
整个结构可以记为(AB)NEGE(CD)N，其中布拉格周期数N＝5。
入射光为横磁(TM)波，沿z轴传播。每一层电介质两端的电磁场可以通过传输矩阵联系起来。例如，第l层电介质两端的电磁场可以通过如下关系联系起来
其中Ml叫第l层的传输矩阵，其中ηl＝εl(ε0/μ0)1/2/(εl-sin2θ)1/2，θ为光的入射角，这里设为θ＝20°。整个系统的传输矩阵为
其中n是结构的总层数。反射系数为
其中η1＝ηN+1＝(ε0/μ0)1/2(1-sin2θ)1/2，分别为入射端和出射端的阻抗，反射率为R＝rr*。光子晶体的带隙为ωgap＝4ω0arcsin|(nb-na)/(nb+na)|2/π，其中ω0＝2πc/λ0，λ0＝1.55μm。
图3(a)是不含石墨烯的缺陷光子晶体中缺陷模的反射率。可以看到，反射率是入射光频率的函数。反射谱中间存在一个带隙，位于此带隙内的光将会被全部反射。但是，*号位置拓扑边界态(也是一种缺陷模)的反射率为零，拓扑边界态的光将会被全部透射，因此也叫透射模。将反射系数写成指数的形式其中是反射系数的相位。图3(b)是未镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中边界态的反射系数相位，可以看到，边界态位置处有一个π的相位跳变。因为边界态的反射率为零，因此存在反射系数的相位存在不确定性。同时，在边界态附近，反射系数相位变化比较剧烈。根据反射光束的古斯-汉森位移与反射系数相位的关系
可以知道，在边界态附近的反射光束的古斯-汉森位移较大。但是这时的反射率较小，因此我们将石墨烯嵌入到缺陷层中，得到较大的反射率。
图4(a)是镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中光子晶体的反射率。可以看到，*号位置边界态的反射率不为零，R＝0.212。图4(b)是镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中光子晶体的反射系数相位。可以看到，边界态位置处的相位没有跳变，但是变化比较剧烈，因此可以得到反射率和古斯-汉森位移都比较大的反射光束。
图5是镶嵌石墨烯的光子晶体中反射光束的古斯-汉森位移。可以看到，古斯-汉森位移是入射光波长的函数；当入射光波长位于边界态处时，其反射光束的古斯-汉森位移最大，其最大值为Δ＝124λ。
将此器件当着传感器，利用反射光束的古斯-汉森位移探测入射光波长。可以选取图中线性度比较好的一段区域用作工作区域。由传感器的灵敏度系数可以通过公式
得到，对于这种基于反射光束古斯-汉森位移的光波长传感器，图6是其灵敏度系数随入射光波长的变化关系。在工作区域的中心点，其最大灵敏度系数为S＝4.75×104。
本发明的优点：在两种光子晶体中引入缺陷，并在缺陷层中嵌入石墨烯，可以同时得到较大的反射率和古斯-汉森位移，最大反射率R＝0.212和最大古斯-汉森位移Δ＝124λ；该器件中的古斯-汉森位移应用于入射光波长的探测，其灵敏度系数高达S＝4.75×104。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种大齿轮温度场的检测装置及检测方法