突破衍射分辨率极限的石墨烯光波导研究

Resolution of optical components and systems is basically restricted by the diffraction limit even though the precision of the optical components and system assembly is high. It has been concerned by researchers for a long time to break resolution diffraction limit that is recently also the hot topic and bottleneck in relevant areas. Surface plasma is proved to be a potential method to realize sub-wavelength resolution. It needs metal thin film with limited width that is fabricated on substrate as waveguide and light is propagating in the plane. For the realization surface plasma, material has to have good metal properties and optical performance, so graphene is the right material. We propose to do the research including the fabrication and testing of high quality graphene, furthermore the design, fabrication and testing of graphene waveguide, and finally the realization of surface plasma and sub-wavelength resolution. This research will provide a new method to break resolution diffraction limit, and it is also important for the fabrication, testing and application of graphene.

不管光学器件加工多么完善以及光学系统装调多么精密，其分辨率根本上都会受衍射分辨率极限的限制。突破衍射分辨率极限已经成为长期以来科研人员关注的焦点，也成为近些年来研究的热点和难点问题之一。研究表明表面等离子体激元是实现亚波长分辨率的潜在方法，用浸在介质中有限宽度的金属薄膜窄带制成等离子体激元波导，从而使光沿等离子体激元波导传播。可见，实现表面等离子体激元波导需要金属薄膜，而同时要求金属薄膜材料具有良好的光学性能。石墨烯具有甚至比金属材料更好的电导性能，同时又具有很好的光学性能。本项目在研究高质量石墨烯制备和测试表征方法的基础上，开展石墨烯光波导设计、理论分析、以及制备方法和性能测试研究，并基于石墨烯光波导结构实现表面等离子体效应，从而突破衍射分辨率极限，最终实现光学亚波长分辨率。本项目的研究将为突破衍射分辨率极限提供新方法，同时对于石墨烯的制备、性能测试以及应用研究都具有重要意义。

本项目针对光学测量分辨率受限于衍射分辨率极限的瓶颈，开展了表面等离子体石墨烯光波导相关理论和方法、设计、制备及测试研究。研究了石墨烯生长过程中的影响因素，实现了高质量石墨烯的经济、无污染可控制备；研究了石墨烯转移工艺，并分析了转移过程中影响石墨烯质量的关键因素，降低了裂痕、破损、孔洞、褶皱等缺陷。开展了光波导理论与实验研究，设计并制备了脊形光波导、微环谐振器光波导以及等离子体纳米天线光波导，搭建了端面耦合测试平台，实现了光纤光源到光波导的有效耦合。进一步开展了石墨烯光波导表面等离激元研究，通过一维周期衍射光栅结构激发并调控石墨烯表面等离子体，制备了亚波长尺寸的光栅结构，并成功激发产生了石墨烯表面等离子体。同时设计了基于银纳米线的石墨烯等离子体波导复合结构，由涂有低折射率二氧化硅层的圆柱形银纳米线和覆盖在脊形基底上的单层或多层石墨烯组成，该结构能够将光场尺寸限制在亚波长范围内并保持长距离传播。研究了关键几何参数对等离子体波导的影响规律，优化了复合结构尺寸，制备出了银纳米线复合结构。开展了基于金颗粒的局域等离子体共振研究，分析了不同结构参数纳米颗粒的光谱响应曲线，采用薄膜退火和电子束直写两种技术分别制备了周期、半径和高度可控的金纳米颗粒，通过对氧化石墨烯拉曼信号的增强效应验证了金纳米颗粒的局域光场增强效果。在以上研究的基础上，开展了光学超分辨聚焦机理和方法研究，包括金属微纳结构的材料特性、色散特性和容错特性研究等，发现了金属微纳结构不同膜厚对其聚焦光场主焦点的轴向位置具有显著影响，建立了金属微纳结构参数的优化设计方法，实现了亚波长光学超分辨聚焦。为了探索石墨烯光波导的潜在应用，本项目拓展研究了基于石墨烯表面子体效应的光电探测和调制器件，以及等离子体波近场光学测量方法及设备，搭建了散射式近场光学显微镜，实现了石墨烯光波导表面等离子体的激发、调控及探测。