式(9.6)表明,对于上述器件结构,狭缝两侧的栅格作用相同且互不影响。因此,这里首先讨论单侧栅格结构器件的性质,再进一步优化双侧栅格结构器件。使用COMSOL软件对器件在不同等效折射率时的衍射场分布进行数值模拟,设电磁波频率为0.5 THz,使用开放式边界条件、局部非均匀网格划分,在SiO2石墨烯栅格附近的最小网格尺寸为0.1 nm。单侧栅格结构器件对应的模拟结果如图9.6所示。THz波从上端口入射,一部分耦合成表面模式,另一部分则泄漏到自由空间中。在图9.6(e)中,用一条白色虚线将z=25 mm处场强最大值点与狭缝中点相连,定义这条白色虚线为光束出射的方向,它与狭缝中垂线的夹角θ为光束偏转角,并且定义光束向左侧偏转时θ为正,反之则为负。这里n R为SPP波沿狭缝右侧栅格传输时的等效折射率,其从图9.6(a)中的1.27逐渐增大到图9.6(f)中的2.60,对应外加电压从256.5 m V逐渐减小到53.2 m V。在这一过程中,出射光束逐渐由向左偏转变为向右偏转,对应θ从18°逐渐减小到-18°。图9.7给出了θ与等效折射率的关系曲线。从图中可以看出,两者呈单调负相关。当等效折射率在1.10~2.60变化时,θ可以达到-18°~18°。
图9.6 单侧栅格结构器件在不同等效折射率时的衍射场分布[13]
(a)n R=1.27(256.5 mV);(b)n R=1.55(162 mV);(c)n R=1.95(97.8 mV);(d)n R=2.10(83.6 mV);(e)n R=2.41(62.8 mV);(f)n R=2.60(53.2 mV)
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图9.7 光束偏转角与等效折射率的关系曲线[13]
然而,图9.6中存在明显的衍射旁瓣,其场强甚至与出射光束的主级衍射相仿,这是由表面模式在不同的栅格处发生解耦合产生的。为了增强衍射主瓣的场强,采用双侧栅格结构器件是一个可行的方法。双侧栅格结构器件的衍射场分布可以视为两个独立单侧栅格结构器件的叠加,如图9.8所示。当由左右两个单侧栅格结构引起的光束偏转角满足θ(n L)=-θ(n R)时,衍射主瓣将会获得极大的增强,此时光束偏转角θ=-θ(n L)=θ(n R),这里n L、n R分别为左右两侧结构对应的等效折射率。以图9.8(a)为例,控制外加电压,使得左侧结构引起的偏转角θ(2.60)=-18°,右侧结构引起的偏转角θ(1.10)=18°,此时左右两侧结构的衍射主瓣相互叠加,从而形成了均匀而强烈的衍射主瓣。同样地,如果n L、n R分别取图9.7中b R、b L两点对应的值,也可以实现主级衍射的增强,对应的光速偏转角θ=11°。随着n L、n R的改变,衍射主瓣实现了从左向右的扫描。当n L=n R=2.16时,θ=0°,光束将沿狭缝中垂线向外出射,如图9.8(d)所示。在这之后,光束将继续向右偏转,直到θ=18°。从图9.8中一系列的模拟结果可以看出,双侧栅格结构所产生的出射光束的主级衍射较单侧栅格结构获得了显著的增强。总之,利用石墨烯材料和双侧亚波长栅格结构实现了大角度、可调控的THz定向发射器。
图9.8 双侧栅格结构器件在不同等效折射率时的衍射场分布[13]
(a)n R=1.10,n L=2.60(368.8 mV,53.5 mV);(b)n R=1.48,n L=2.48(179.5 mV,59.2 mV);(c)n R=1.70,n L=2.40(131.9 mV,63.3 mV);(d)n R=2.16,n L=2.16(79.0 mV,79.0 mV);(e)n R=2.48,n L=1.48(59.2 mV,179.5 mV);(f)n R=2.60,n L=1.10(53.5 mV,368.8 mV)
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