基于石墨烯-金属微纳结构的光波前调制研究

Due to the diffraction limit, the pixel size of traditional spatial light modulators (SLMs) is not able to be as small as sub-wavelength scale. SLMs based on surface plasmon polaritons (SPPs) in metal structures become a key resolution to break the diffraction limit, and bring a revolution of spatial light modulation, because of the light confinement of SPPs. However, the optical properties of metals is too stable to realize an externally tunable SPPs SLM. Graphene has the advantage of tunability by gate voltage, easy fabricating, and small size, which attract many research interests. Applying graphene to metal micro/nano structures, one may realize externally tunable SLMs, which brings great applications of SPPs spatial light modulation. In this project, we will study the tuning mechanics of graphene-metal micro/nano structures on light field front, build a new theoretical model for light propagating in the structure, develop new simulation methods for fast calculation, propose new 3D full vector estimating tools for calculating far light fields by near light fields, realize design of SLMs based on graphene-metal micro/nano structures, as well as achieve several international leading results.

由于衍射极限的存在，传统的空间光调制器件很难实现亚波长的像素尺寸。基于金属表面等离子体激元的空间光调制器件由于表面等离子体的局域场效应，有望突破像素尺寸的界限，实现空间光调制器件革命性的突破。然而，金属的光学稳定性决定了SPPs波前调制器件很难实现外部可调。石墨烯材料由于具有外加电压可调、制作简单、尺寸小等特点，成为微纳光学领域的研究热点。结合石墨烯材料和金属微纳结构，有望实现外部可调的SPPs波前调制器件，为此类新兴的光调制器件带来巨大的应用价值。本课题将深入探究石墨烯-金属微纳结构对光波前的调制机制，建立光波在石墨烯-金属微纳结构中传输的理论分析模型，发展快速的石墨烯-金属微纳结构数值模拟方法，完善三维全矢量的近场远场推算工具，实现基于石墨烯-金属微纳结构的波前外部调制器件的设计，力争取得若干国际领先水平的创新成果。

传统的空间光调制器件要实现对波前位相的调制需要光程的积累，意味着器件需要有足够的厚度，从而限制了器件的小型化和集成度。基于金属微纳结构的超表面器件基于二维平面内金属天线的散射，从而突破了光程积累的限制，有望大大提高波前调制器的集成度，近年来得到快速发展。然而此类调制器一旦加工完成，难以实现外部的主动调制。作为二维材料代表的石墨烯由于其特殊的分子结构，具有光学性质在外加电压下可调的优点，有望实现超轻薄、速度快、结构简单的光调制器。本项目以实现基于金属超表面和石墨烯材料的波前调制器为出发点进行研究，研究内容和取得的结果有：.1.结合理论和实验，研究了大片石墨烯以及石墨烯纳米带与不同的金属微纳结构相结合后对入射光调制的增强作用。发现金属结构的局域场增强效应可以增强入射光同石墨烯的相互作用，从而提高其对入射光场的调制作用。这一研究可以用于生物传感和拉曼检测领域。.2.提出了基于位相调制的可调超表面红外聚焦透镜。该聚焦透镜在传统金属超表面结构表面覆盖一层石墨烯，器件整体厚度在纳米量级。当外加电压变化时，透镜的焦距可以改变3-5个波长。理论上透镜的调制速率可以达到MHz量级。.3.改进传统的边界元算法使之适用于石墨烯结构的计算。相对于其他仿真算法，可以在保证计算精度的同时，提高计算速度。.4.提出了一种基于格林函数的远场光场全矢量计算方法。在测得近场光场的条件下，可以计算远场的矢量光场，且有较高的精度。. 以上研究内容共发表SCI论文5篇，EI检索论文1篇，核心期刊1篇。获批发明专利1项。对实现超轻薄的红外和太赫兹波前调制器件以及石墨烯材料在光子学领域中的应用提供了新的方案。