专利名称：光控太赫兹波高速开关装置及其方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种光控太赫兹波高速开关装置及其方法。
背景技术：
太赫兹波是指频率在O. I ΙΟΤΗζ，波长为3000 30 μ m范围内的电磁波。它在长波段与毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于在相当长时间里太赫兹波源的问题未能很好解决，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，太赫兹波科学技术的发展受到很大的限制，以至于该波段被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”(Terahertz Gap),从而使其应用潜能未能发挥出来。目前国际上已经成功研制太赫兹波源和检测装置。研究发现太赫兹波作为一种高频电磁波比X射线更安全，应用于医学诊断、安全检查、生物医学、农业、空间天文学、无损检测以及太赫兹 通信等许多领域。由于太赫兹波的广泛应用前景，世界各国对于太赫兹波科学技术的研究都极为重视。太赫兹波产生和探测技术的发展，大大促进了太赫兹技术及其应用的发展。在医疗诊断、环境监测、宽带移动通讯、天文等领域，太赫兹技术都有着广阔的应用前景。在应用太赫兹技术解决实际问题时太赫兹波导、开关等功能性器件是实现整个系统功能所必不可少的器件。但太赫兹波的功能器件是太赫兹波科学技术应用中的重点和难点，国内外对于太赫兹波的功能器件研究也已逐渐展开。现有的太赫兹波功能器件还很少，通常它们结构复杂、体积较大、价格昂贵，因此小型化、紧凑化的太赫兹波器件是太赫兹波技术应用的关键。太赫兹波开关是一种非常重要的太赫兹波功能器件，其在太赫兹波成像、太赫兹波医学诊断、太赫兹波通信、太赫兹波空间天文学等太赫兹波应用领域都有着广阔的应用前景，但是现有的太赫兹波开关结构复杂、制作困难、价格昂贵，损耗大，响应速度慢。因此迫切需要研究出一种结构简单、制作方便、响应速度快的太赫兹波开关来满足太赫兹实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光控太赫兹波高速开关装置及其方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下
光控太赫兹波高速开关装置包括太赫兹波输入端、激光输入端、NXN个结构单元，N为自然数；NXN个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括金属结构层、基体和金属薄膜层，金属结构层与基体相连，金属结构层由一个X型金属件和四个T型金属件组成，X型金属件垂直相交于金属结构层的中心位置，四个T型金属件端部分别与X型金属件的四个端点相连，基体的另一侧与金属薄膜层相连。
所述的周期排列的NXN个结构单元的正视图为正方形，正方形边长为170Mm" 80 μ mo所述的金属结构层的材料为金，厚度为O. 8 μ m " . O μ m0所述的基体为聚合物材料，厚度为105Mm " 10 μ m0所述的金属薄膜层的材料为金，厚度为0. 8Mm " . O μ m0所述的X型金属件的长为68Mm 70 μ m,宽为12Mm 13 μ m ; T型金属件的长为68Mm 70 μ m，宽为54Mm 56 μ m,金属线宽为8Mm 9 μ m。光控太赫兹波高速开关方法是当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在没有外加激光从激光输入端输入的条件下，频率为I. 349THZ的太赫兹波被NXN个结构单元吸收，没有反射。当有外加激光从激光输入端输入时，由于聚合物材料基体的kerr效应，聚合物材料基体的折射率会迅速发生变化，所述装置的吸收峰对应的频率值发生改变，之前被吸收的频率为I. 349THZ的太赫兹波反射回太赫兹波输入端，由无外加激光输入到有外加激光输入，使频率为I. 349THz的太赫兹波由无反射到全部反射,实现了光控太赫兹波高速开关的断通。本发明的光控太赫兹波高速开关装置具有结构简单紧凑，制作方便，响应速度快，调节方便，满足在太赫兹波成像、医学诊断、环境监测、宽带移动通信等领域应用要求。
图I是光控太赫兹波高速开关装置的结构单元示意 图2是光控太赫兹波高速开关装置的金属结构层示意 图3是光控太赫兹波高速开关装置的正视 图4是光控太赫兹波高速开关装置在不同强度的激光照射条件下的吸收曲线图。
具体实施例方式如图f 3所示，光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于包括太赫兹波输入端I、激光输入端2、NXN个结构单元3，N为自然数；NXN个结构单元3周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元3包括金属结构层4、基体5和金属薄膜层6，金属结构层4与基体5相连，金属结构层4由一个X型金属件7和四个T型金属件8组成，X型金属件7垂直相交于金属结构层4的中心位置，四个T型金属件8端部分别与X型金属件7的四个端点相连，基体5的另一侧与金属薄膜层6相连。所述的周期排列的NXN个结构单元3的正视图为正方形，正方形边长为170Mm^180 μ m。所述的金属结构层4的材料为金,厚度为O. 8 μ m "I. O μ m。所述的基体5为聚合物材料,厚度为105Mm " 10 μ m0所述的金属薄膜层6的材料为金,厚度为0. 8Mm " . O μ m0所述的X型金属件7的长为68Mm 70μπι，宽为12Mm 13μπι; T型金属件8的长为68Mm 70 μ m,宽为54Mm 56 μ m,金属线宽为8Mm 9 μ m。光控太赫兹波高速开关方法是当太赫兹波从太赫兹波输入端I输入时，在没有外加激光从激光输入端2输入的条件下，频率为I. 349THz的太赫兹波被NXN个结构单元3吸收，没有反射。当有外加激光从激光输入端2输入时，由于聚合物材料基体5的kerr效应，聚合物材料基体5的折射率会迅速发生变化，所述装置的吸收峰对应的频率值发生改变，之前被吸收的频率为I. 349THz的太赫兹波反射回太赫兹波输入端1，由无外加激光输入到有外加激光输入，使频率为1.349THZ的太赫兹波由无反射到全部反射，实现了光控太赫兹波闻速开关的断通。
实施例I
光控太赫兹波闻速开关
选择结构单元个数N=50。周期排列的NXN个结构单元的正视图为正方形，正方形边长为175 μ m。金属结构层的材料为金，厚度为0.8 μ m。基体为聚合物材料，厚度为110 μ m。金属薄膜层的材料为金，厚度为Ι.Ομπι。X型金属件的长为70 μ m，宽为12Mm;T型金属件的长为69. 5μηι,宽为55 μ m,金属线宽为8Mm。由于该开关装置后面有金属薄膜层存在，因此太赫兹波不能透射出去。当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在没有外加激光从激光输入端输入的条件下，此时某特定频率的太赫兹波被吸收，没有反射。当有外加激光从激光输入端输入时，由于聚合物材料基体的kerr效应，聚合物材料基体的折射率会迅速发生变化，所设计装置的吸收峰对应的频率值发生改变，此时，之前被吸收的特定频率的太赫兹波反射回太赫兹波输入端，从无外加激光输入到有外加激光输入可以实现特定频率太赫兹波的无反射到全部反射，实现了光控太赫兹波高速开关的断通功能。激光照射在金属结构层的空白区域，在不同强度的激光照射条件下，聚合物材料的折射率迅速发生变化，因此，可以快速获得不同频率的吸收峰。由图4可见，当无外加激光输入，S卩外加激光输入为O时，·聚合物基体的折射率为I. 59，对于频率为f=l. 349THz的太赫兹波吸收率为99. 93%，反射率为O. 07%。当有外加激光输入，即外加激光输入强为18. 75MW/cm2时，聚合物基体的折射率为I. 62，这时的最大吸收峰对应的频率为I. 324THZ，相应的吸收率为99. 59%。此时，对特定频率为f=l. 349THz的太赫兹波的吸收率仅为O. 74%，因为太赫兹波不能透射，所以反射率为99. 26%，这实现了对f=l. 349THz的太赫兹波的快速吸收或反射。由于聚合物材料的响应时间极快，因此通过改变激光强度可以快速地实现对不同频率太赫兹波的吸收或反射，实现了高速开关的断通功能。
权利要求
1.一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于包括太赫兹波输入端(I)、激光输入端(2)、NXN个结构单元(3)，N为自然数；NXN个结构单元(3)周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元(3)包括金属结构层(4)、基体(5)和金属薄膜层(6)，金属结构层(4)与基体(5)相连，金属结构层(4)由一个X型金属件(7)和四个T型金属件(8)组成，X型金属件(7)垂直相交于金属结构层(4)的中心位置，四个T型金属件(8)端部分别与X型金属件(7)的四个端点相连，基体(5)的另一侧与金属薄膜层(6)相连。
2.如权利要求I所述的一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于所述的周期排列的NXN个结构单元(3)的正视图为正方形，正方形边长为170Mm 180 μ m。
3.如权利要求I所述的一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于所述的金属结构层(4)的材料为金，厚度为0.8μπ 1.0μπ 。
4.如权利要求I所述的一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于所述的基体(5)为聚合物材料，厚度为105Mm 110 μ m。
5.如权利要求I所述的一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于所述的金属薄膜层(6)的材料为金,厚度为O. 8Mm I. O μ m。
6.如权利要求I所述的一种光控太赫兹波高速开关装置，其特征在于所述的X型金属件(7)的长为68Mm 70 μ m，宽为12Mm 13 μ m ;T型金属件(8)的长为68Mm 70 μ m，宽为54Mm 56 μ m,金属线宽为8Mm 9 μ m。
7.一种使用如权利要求I所述装置的光控太赫兹波高速开关方法，其特征在于当太赫兹波从太赫兹波输入端(I)输入时，在没有外加激光从激光输入端(2)输入的条件下，频率为I. 349THz的太赫兹波被NXN个结构单元(3)吸收，没有反射；当有外加激光从激光输入端(2)输入时，由于聚合物材料基体(5)的kerr效应，聚合物材料基体(5)的折射率会迅速发生变化，所述装置的吸收峰对应的频率值发生改变，之前被吸收的频率为I. 349THz的太赫兹波反射回太赫兹波输入端(1)，由无外加激光输入到有外加激光输入，使频率为I. 349THz的太赫兹波由无反射到全部反射，实现了光控太赫兹波高速开关的断通。
全文摘要
本发明公开了一种光控太赫兹波高速开关装置及其方法。它包括太赫兹波输入端、激光输入端、N×N个结构单元，N为自然数；N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括金属结构层、基体和金属薄膜层，金属结构层与基体相连，金属结构层由一个X型金属件和四个T型金属件组成，X型金属件垂直相交于金属结构层的中心位置，四个T型金属件端部分别与X型金属件的四个端点相连，基体的另一侧与金属薄膜层相连。本发明的光控太赫兹波高速开关装置具有结构简单紧凑，制作方便，响应速度快，调节方便，满足在太赫兹波成像、医学诊断、环境监测、宽带移动通信等领域应用要求。
文档编号H01P1/10GK102902126SQ20121036888
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者李九生 申请人:中国计量学院