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专利名称：一种能实现较大负古斯-汉森位移的光子晶体

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110841656.6

专利申请（专利权）人：湖北开云优惠体育网页版入口学院
权利人地址：湖北省咸宁市咸安区咸宁大道88号

专利发明（设计）人：发明人:刘芳梅

专利摘要：本发明提供了一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，属于光学技术领域。包括石墨烯单层、两个周期性晶体结构和一个缺陷层，所述周期性晶体结构包括若干第一电介质层和若干与第一电介质层一一对应的第二电介质层，所述第一电介质层和第二电介质层交替分布，两个周期性晶体结构对称分布在石墨烯单层的两侧，所述缺陷层位于靠近出射方向的周期性晶体结构的外侧。本发明能够应用于科学上实验检测负古斯?汉森位移的存在和角位移传感器。

主权利要求：
1.一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，其特征在于，包括石墨烯单层(G)、两个周期性晶体结构和一个缺陷层(C)，所述周期性晶体结构包括若干第一电介质层(A)和若干与第一电介质层(A)一一对应的第二电介质层(B)，所述第一电介质层(A)和第二电介质层(B)交替分布，两个周期性晶体结构对称分布在石墨烯单层(G)的两侧，所述缺陷层(C)位N N于靠近出射方向的周期性晶体结构的外侧；整个结构为(AB)G(BA)C，N为布拉格周期数；第一电介质层(A)的厚度da＝0.281μm，第二电介质层(B)的厚度db＝0.165μm，缺陷层(C)的厚度dc＝0.265μm。
2.根据权利要求1所述一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，其特征在于，所述光子晶体入射方向的表层为第一电介质层(A)，所述第一电介质层(A)为氟化镁。
3.根据权利要求2所述一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，其特征在于，所述第二电介质层(B)为硫化锌。
4.根据权利要求1或2或3所述一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，其特征在于，所述缺陷层(C)为二氧化硅。 说明书 : 一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体技术领域[0001] 本发明属于光学技术领域，涉及一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体。背景技术[0002] 当光照射到两种折射率n1和n2不同的电介质上时，在电介质的分界面上，如果发生全反射，会有部分光渗如下层电介质内部，这就相当于在实际界面后面放置了一个虚反射界面，那么相对于几何光学预测的位置，反射光就会有一个横向移动。该现象最先由古斯(Goos)和汉森 在实验上观察到，因此也叫古斯?汉森位移，如图1(a)所示的符号Δ就表示反射光束的古斯?汉森位移。古斯?汉森位移可以为正，还可以为负。当古斯?汉森位移为负值时，对应的虚反射面则位于电介质分界面的上侧，如图1(b)所示。一般情况下，同一个系统中，负的古斯?汉森位移比正的古斯?汉森位移小。[0003] 古斯?汉森位移可广泛应用于高灵敏度传感器和光开关。但是，通常情况下，古斯?汉森位移比较。话阏木图父霾ǔせ蚴父霾ǔ，而负的古斯?汉森位移就更小了，最大也就几个波长，这对古斯?汉森位移的检测和应用造成很大的困难。一般系统的古斯?汉森位移为正，而负古斯?汉森位移系统比较少。而且，当一个系统中同时存在正、负古斯?汉森位移时，负古斯?汉森位移一般小于正古斯?汉森位移，因此，要得到负古斯?汉森位移，以及观察负古斯?汉森位移都是难能可贵的。[0004] 人们通过多种方法来增强古斯?汉森位移，比如利用具有带隙结构的光子晶体和弱损耗材料来实现大的古斯?汉森位移。特别地，在非厄米系统(含有光增益和光损耗，或包含其一)中的异常点(exceptionalpoints:EPs)和相干完美吸收激光点(coherent?perfect?absorption?laserpoint:CPA?LP)附近，会出现正、负古斯?汉森极值，理论上达到无穷大。但是，在EPs，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，且能实现较大的负的古斯?汉森位移的光学器件。这对科学上探测负古斯?汉森位移具有十分重要的指导意义。发明内容[0005] 本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种能实现较大负的古斯?汉森位移的光子晶体，本发明所要解决的技术问题是获得一种能够应用于科学上实验检测负古斯?汉森位移的存在和角位移传感器的光子晶体。[0006] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种能实现较大负古斯?汉森位移的光子晶体，其特征在于，包括石墨烯单层、两个周期性晶体结构和一个缺陷层，所述周期性晶体结构包括若干第一电介质层和若干与第一电介质层一一对应的第二电介质层，所述第一电介质层和第二电介质层交替分布，两个周期性晶体结构对称分布在石墨烯单层的两侧，所述缺陷层位于靠近出射方向的周期性晶体结构的外侧。[0007] 进一步的，所述光子晶体入射方向的表层为第一电介质层，所述第一电介质层为氟化镁。[0008] 进一步的，所述第二电介质层为硫化锌。[0009] 进一步的，所述缺陷层为二氧化硅。[0010] 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。这种缺陷层位于光子晶体的中间，且结构一旦固定，就不容易调整缺陷层的材料和厚度。[0011] 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。[0012] 我们在光子晶体的右边增加一层缺陷层，再将石墨烯嵌入到光子晶体的中，利用石墨烯的弱损耗，减弱光子晶体对缺陷模的透射率，从而提高光的反射率。缺陷层虽然位于结构的右侧，仍然不影响缺陷模的形成，而且这种边缘置缺陷层的方法便于调控缺陷层的材料和厚度。同时，石墨烯的弱损耗也会引起缺陷模附近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。附图说明[0013] 图1中(a)图是反射面位于反射界面前端时古斯?汉森位移示意图；(b)图是反射面位于反射界面后端时古斯?汉森位移示意图。[0014] 图2是能实现较大负的古斯?汉森位移的光子晶体的结构示意图。[0015] 图3(a)是不含石墨烯的缺陷光子晶体中缺陷模的反射率；图3(b)是未镶嵌石墨烯的缺陷光子晶体中缺陷模的反射系数相位。[0016] 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。[0017] 图5是能实现较大负的古斯?汉森位移的光子晶体中反射光束的古斯?汉森位移。[0018] 图6是应用本晶体结构的入射光角位移传感器的灵敏度系数。[0019] 图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；C、缺陷层；G、石墨烯单层。具体实施方式[0020] 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。[0021] 光子晶体的周期性晶体结构由第一电介质A、第二电介质层B交替排列形成，缺陷层C位移光子晶体的右端(出射方向端)，单层石墨烯G被镶嵌在周期性晶体结构的中心点，如图2所示。第一电介质A、第二电介质层B和缺陷层C的折射率分别为na＝1.38，nb＝2.35和nc＝1.46。第一电介质层A为氟化镁，第二电介质层B为硫化锌，缺陷层C为二氧化硅。它们的厚度分别为的da＝0.281，db＝0.165和dc＝0.265μm。入射光线被标记为1，反射光线被标记为2，透射光线被标记为3。[0022] 电介质A和B交替排列，关于z轴的0点形成对称分布，石墨烯被镶嵌在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(Kuboformula)来描述[0023][0024][0025] 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。[0026] 可将石墨烯单层看成具有一定厚度的等效电介质，当其等效厚度低于1nm时，这种等效方法对计算反射率和透射率的影响是可以忽略的。这是我们取石墨烯的厚度为0.34nm。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。温度取T＝27℃，动量弛豫时间τ＝0.5ps,μc＝0.15eV。[0027] 整个结构可表示成(AB)NG(BA)NC，其中布拉格周期数N＝5。[0028] 射入射光为横磁(TM)波，入射波长为λ＝1.51μm，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[0029][0030] 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。整个系统的传输矩阵为[0031][0032] 其中n是结构的总层数。反射系数为[0033][0034] 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*。[0035] 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，缺陷模位于θ＝22.2°处，其反射率为零，缺陷模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缺陷模的反射系数相位，可以看到，缺陷模位置处有一个π的相位跳变。因为缺陷模的反射率为零，因此存在反射系数的相位存在不确定性。同时，在缺陷模附近，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[0036][0037] 可以知道，在缺陷模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。虼宋颐墙┣度氲饺毕莶阒，得到较大的反射率。[0038] 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，缺陷模的反射率不为零，R＝0.17。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，缺陷模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。[0039] 图5是镶嵌石墨烯的缺陷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；当入射光波长位于缺陷模处时，其反射光束的负的古斯?汉森位移最大，其最大值为Δ＝?6.58λ。[0040] 可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的角度位移。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[0041][0042] 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角的变化关系。在工作区域的中心点，其最大灵敏度系数为S＝8.66(λ/deg)。[0043] 本发明的优点：在缺陷光子晶体中嵌入石墨烯，可以同时得到较大的反射率和负古斯?汉森位移，最大反射率R＝0.17和最大负古斯?汉森位移Δ＝?6.58；该器件中的古斯?汉森位移应用于入射角位移的探测，其灵敏度系数高达S＝8.66(λ/deg)。[0044] 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。

专利地区：湖北

专利申请日期：2021-07-26

专利公开日期：2024-10-15

专利公告号：CN113534298B