本发明属于超材料光纤技术领域，具体涉及一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列。
背景技术：
电磁超材料，是一种人工设计的复合结构或复合材料，且其结构单元处于远小于工作波长的亚波长尺寸，具有操纵电磁波的神奇能力。电磁超材料的电磁性能主要取决于其特殊设计的人工结构，而不是其组成成分，因此它往往具有天然材料所不具备的超常物理性质，如负折射率等。超材料这种通过结构设计打破某些物理限制的新颖设计思想，开启了材料设计与开发的新思路。
超材料吸波器利用结构的电磁损耗达到吸波的目的。由于超材料吸波器在电磁隐身、等离子体传感以及光谱成像具有广泛的应用前景，近年来已经成为了一个研究热点。超材料吸波器的吸波机理是利用超材料的电、磁谐振，对有效介电常数(εeff)和磁导率(μeff)进行调控，从而使得超材料的阻抗与自由空间匹配，从而将入射电磁波在界面上的反射率降至最低，同时将电磁波尽可能的消耗在结构内部，使得透射率尽可能的小，从而实现高吸收。
现有的超材料吸波器通常为金属-电介质-金属的三层平面结构，顶层为结构单元，主要产生电谐振；底层金属则是为了防止透射，并与顶层结构单元产生磁谐振。现有的超材料吸波器有以下缺点：一是由于结构的谐振特性，吸收带宽很窄；二是二维平面超材料通常采用电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、或光刻等制备方法，这些制备方法成本极高，工艺复杂，且制造精度难以控制。
为了扩大超材料吸波器的吸收带宽，通常采用两种方法。一是将不同的谐振结构组合到一个单元结构内，这种方法往往由于不同谐振结构之间的耦合作用，难以同时实现宽带和高吸收。第二种方法是采用多层结构，这在一定层度上增大了制备工艺的复杂性。
超材料光纤是一种新形式的超材料，来自悉尼大学的borist.kuhlmey等人，使用光纤拉制的方法，成功拉制了两种最基本的超材料结构单元：金属线阵列和开口谐振环阵列。这为超材料的结构单元设计以及制备方式打开了新思路。将超材料与光纤结合起来，以光纤的形式实现超材料，不仅有助于设计新型超材料结构单元，同时可以降低超材料制备的成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列。该光纤阵列能够对垂直入射到光纤阵列上表面的特定电场偏振方向的电磁波实现宽带高吸收，且吸收带宽可以随着包层中小圆孔数量增多而增大。同时该超材料的结构单元以光纤这种新形式存在，通过现有光纤制备技术即可制备得到，制备成本低。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；
所述含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；所述含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯中心的部分含有一个以上小圆孔，且小圆孔内填充有一段以上金属微米线，构成包层的微结构；
在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。
优选的，所述光纤的半径为7.7～8.65μm。
优选的，所述含有微结构的包层的材料为电解质材料，更优选为介电常数4.3、介电损耗因子0.025的电介质材料。
优选的，所述纤芯的半径为4.8～5.5μm，且在光纤横截面上，纤芯的与光纤的边缘的最近距离为0.5μm。
优选的，所述纤芯的材料为金属au。
优选的，所述小圆孔的半径为0.65～1μm，小圆孔与纤芯纵向平行，且在光纤横截面上，小圆孔与光纤的边缘的最近距离为0.5μm。
优选的，所述金属微米线段在小圆孔中为不连续的周期性填充，周期长度为30μm，同一小圆孔中相邻的两段金属微米线间为空气，且各小圆孔中的金属微米线在光纤几何对称轴方向具有相同的位置。
优选的，所述金属微米线为au微米线，长度为22.5～24.5μm，且半径与小圆孔的半径相同。
优选的，所述小圆孔的孔心与纤芯的中心之间的距离为5.9～9.8μm。
优选的，当偏振电磁波垂直入射到光纤阵列，且入射的偏振电磁波的电场偏振方向沿光纤阵列中光纤几何轴向时，偏振电磁波入射方向与光纤的单位矢量同向，即为产生太赫兹频率宽带吸收的方向；此时光纤阵列对入射的偏振电磁波吸收大于90％的电磁波频率范围为2.53～2.95thz，高吸收带宽达0.42thz。
本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列中的单根光纤可通过现有光纤制备技术即可制备得到，首先使用管棒法获得含有连续金属线的光纤，而后使用激光作用在特定位置将小圆孔中的au微米线打断，形成周期性结构；而后将光纤排成阵列，实现宽带高吸收。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列在入射的偏振电磁波的作用下，结构单元内不同小圆孔内的au微米线之间以及au微米线与金属纤芯之间形成多个环形电流，产生多个电/磁谐振；多个电/磁谐振的共同作用，使得结构获得宽带吸收；
(2)相较于现有平面超材料吸波器的增大带宽是通过将不同谐振单元组合到一个结构单元内，而由于谐振单元之间的耦合作用，往往难以同时实现宽带和高吸收，本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列通过合理的设计几何参数以及小圆孔数量，实现宽带高吸收，结构设计灵活，且容易实现宽带高吸收；
(3)本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列不同于现有的二维平面超材料吸波器需使用电子束刻蚀、聚焦离子束或光刻等高成本方法制备，单根光纤可通过现有光纤制备技术即可制备得到，制备技术简单、高效，成本低。
附图说明
图1为本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列的示意图；
图2a为本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-1中单根光纤内一个结构单元的装配图；
图2b为本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-1中单根光纤内一个结构单元的横截面示意图；
图3为本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列中单根光纤中一个圆孔内周期性排列的au微米线的排布示意图；
图4为实施例1的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-1的吸收曲线图；
图5为实施例2的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-2的单根光纤内一个结构单元的横截面示意图；
图6为实施例2的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-2的吸收曲线。
图7为实施例3得到超材料光纤阵列ma-3的吸收曲线图。
图8为实施例4得到超材料光纤阵列ma-4的吸收曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围和实施方式不限于此。
具体实施例中，本发明的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列的示意图如图1所示，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；
其中，含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯3中心的部分含有一个以上小圆孔2，且小圆孔内填充有一段以上周期性排布的金属微米线1，构成包层的微结构。
实施例1
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-1，示意图参见图1，其单根光纤中一个结构单元的装配图与俯视图分别如图2a和图2b所示；单根光纤中圆孔内周期性排列的au微米线的示意图如图3。
单根光纤由含微结构的包层和纤芯构成，光纤半径(r)为7.9μm。
包层材料为电介质材料，其介电常数(ε)为4.3，介电损耗因子(tanδ)为0.025。
包层中含有一个大的金属纤芯o以及3个圆孔a、b和c；纤芯材料为金属au，半径(r0)为5μm；圆孔a、b和c的半径(ra、rb和rc)均为1μm。在光纤截面上，圆孔a位于纤芯的正上方，且其孔心与纤芯中心的距离为(dao)为8.8μm；圆孔b、c关于z坐标轴对称，其孔心与纤芯中心的连线bo、co与z轴的夹角(θ)为30°；且圆孔b、c的孔心与纤芯中心的距离(dbo和dco)为6.2μm。
单根光纤中每一圆孔内均填入多段au微米线，au微米线的半径与圆孔的半径相同；圆孔a内单根au微米线的长度(la)为24μm；圆孔b和c内的单根au微米线的长度(lb和lc)均为24.4μm；au微米线填充结构单元的周期(a)为30μm；填入的au微米线与金属纤芯共同形成光纤的微结构。
在光纤的横截面，沿着z轴方向，光纤最上端距离圆柱a最上端的距离(w1)为0.5μm，光纤最下端距离纤芯最下端的距离(w2)为0.5μm。
在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。
对于电场偏振方向沿光纤对称轴方向的入射电磁波，当其垂直入射到光纤阵列的上表面时，通过有限时域差分法模拟计算，得到超材料光纤阵列ma-1的吸收曲线图如图4所示，由图4可知，该光纤的吸收率超过90％的频率范围为2.47～2.79thz，带宽达到0.32thz。
实施例2
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-2，其单根光纤的横截面如图5所示。
单根光纤由含微结构的包层和纤芯构成，光纤半径(r)为8.15μm。
包层材料为电介质材料，其介电常数(ε)为4.3，介电损耗因子(tanδ)为0.025。
包层中含有一个大的金属纤芯o以及4个圆孔a、b、c和d；纤芯材料为金属au，半径(r0)为5μm；圆孔a、b、c和d的半径(ra、rb、rc和rd)分别为1μm、0.65μm、0.65μm和0.8μm。在光纤截面上，圆孔d均位于纤芯的正上方，而圆孔a又位于圆孔d的正上方；圆孔a、d的孔心距(dad)为2.9μm，圆孔d与纤芯中心的距离(ddo)为6.4μm；圆孔b、c关于z坐标轴对称，其孔心与纤芯中心的连线bo、co与z轴的夹角(θ)为30°；且圆孔b、c的孔心与纤芯中心的距离(dbo和dco)为5.9μm。
单根光纤中每一圆孔内均填入多段au微米线，au微米线的半径与圆孔的半径相同；圆孔a内au微米线段的长度(la)为22.5μm；圆孔b和c内的au微米线段的长度(lb和lc)均为24.4μm；圆孔d内的au微米线段的长度(ld)为24μm；au微米线填充结构单元的周期(a)为30μm；填入的au微米线与金属纤芯共同形成光纤的微结构。
在光纤的横截面，沿着z轴方向，光纤最上端距离圆柱a最上端的距离(w1)为0.5μm。光纤最下端距离纤芯最下端的距离(w2)为0.5μm。
在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。对于电场偏振方向沿光纤对称轴方向的入射电磁波，当其垂直入射到光纤阵列的上表面时，通过有限时域差分法模拟计算，得到超材料光纤阵列ma-2的吸收曲线图如图6所示，由图6可知，该光纤的吸收率超过90％的频率范围为2.53～2.95thz，带宽达到0.42thz。
相较于光纤阵列ma-1，由于光纤阵列ma-2中圆孔数量更多，因而吸收带宽更大，表明在结构中引入更多的圆孔可以实现更大的吸收带宽。
实施例3
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-3，示意图参见图1，其单根光纤中一个结构单元的装配图与俯视图分别如图2a和图2b所示；单根光纤中圆孔内周期性排列的au微米线的示意图如图3。
单根光纤由含微结构的包层和纤芯构成，光纤半径(r)为7.7μm。
包层材料为电介质材料，其介电常数(ε)为4.3，介电损耗因子(tanδ)为0.025。
包层中含有一个大的金属纤芯o以及3个圆孔a、b和c；纤芯材料为金属au，半径(r0)为4.8μm；圆孔a、b和c的半径(ra、rb和rc)均为1μm。在光纤截面上，圆孔a位于纤芯的正上方，且其孔心与纤芯中心的距离为(dao)为8.6μm；圆孔b、c关于z坐标轴对称，其孔心与纤芯中心的连线bo、co与z轴的夹角(θ)为30°；且圆孔b、c的孔心与纤芯中心的距离(dbo和dco)为6μm。
单根光纤中每一圆孔内均填入多段au微米线，au微米线的半径与圆孔的半径相同；圆孔a内单根au微米线的长度(la)为24μm；圆孔b和c内的单根au微米线的长度(lb和lc)均为24.4μm；au微米线填充结构单元的周期(a)为30μm；填入的au微米线与金属纤芯共同形成光纤的微结构。
在光纤的横截面，沿着z轴方向，光纤最上端距离圆柱a最上端的距离(w1)为0.5μm，光纤最下端距离纤芯最下端的距离(w2)为0.5μm。
在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。
对于电场偏振方向沿光纤对称轴方向的入射电磁波，当其垂直入射到光纤阵列的上表面时，通过有限时域差分法模拟计算，得到超材料光纤阵列ma-3的吸收曲线图如图7所示，由图7可知，该光纤的吸收率超过90％的频率范围为2.47～2.78thz，带宽达到0.31thz。
实施例4
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列ma-4，其单根光纤的横截面如图5所示。
单根光纤由含微结构的包层和纤芯构成，光纤半径(r)为8.65μm。
包层材料为电介质材料，其介电常数(ε)为4.3，介电损耗因子(tanδ)为0.025。
包层中含有一个大的金属纤芯o以及4个圆孔a、b、c和d；纤芯材料为金属au，半径(r0)为5.5μm；圆孔a、b、c和d的半径(ra、rb、rc和rd)分别为1μm、0.65μm、0.65μm和0.8μm。在光纤截面上，圆孔d均位于纤芯的正上方，而圆孔a又位于圆孔d的正上方；圆孔a、d的孔心距(dad)为2.9μm，圆孔d与纤芯中心的距离(ddo)为6.9μm；圆孔b、c关于z坐标轴对称，其孔心与纤芯中心的连线bo、co与z轴的夹角(θ)为30°；且圆孔b、c的孔心与纤芯中心的距离(dbo和dco)为6.4μm。
单根光纤中每一圆孔内均填入多段au微米线，au微米线的半径与圆孔的半径相同；圆孔a内au微米线段的长度(la)为22.5μm；圆孔b和c内的au微米线段的长度(lb和lc)均为24.5μm；圆孔d内的au微米线段的长度(ld)为24μm；au微米线填充结构单元的周期(a)为30μm；填入的au微米线与金属纤芯共同形成光纤的微结构。
在光纤的横截面，沿着z轴方向，光纤最上端距离圆柱a最上端的距离(w1)为0.5μm。光纤最下端距离纤芯最下端的距离(w2)为0.5μm。
在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。对于电场偏振方向沿光纤对称轴方向的入射电磁波，当其垂直入射到光纤阵列的上表面时，通过有限时域差分法模拟计算，得到超材料光纤阵列ma-4的吸收曲线图如图8所示，由图8可知，该光纤的吸收率超过90％的频率范围为2.53～2.96thz，带宽达到0.43thz。
以上实施例为本发明的较优实施例，仅在于对本发明的技术方案作进一步详细的描述，而不用于限制本发明的保护范围，任何未脱离本发明精神实质的替换、更改或修饰等均将落在本发明的保护范围内。