一种用于吸收2THz电磁波的装置的制作方法

一种用于吸收2thz电磁波的装置
技术领域
1.本实用新型涉及调制电磁波技术领域，尤其涉及一种用于吸收2thz电磁波的装置。


背景技术：

2.调制电磁波一直是研究、应用的热点，近年来thz电磁波基础领域取得的一系列进展使它的应用越来越受到重视，其中thz电磁波的调制领域中完美吸收体是一个重要方向。
3.然而，thz电磁波在空气中由于水汽的吸收损耗很大，这对器件的设计带来困难；器件在理想条件下设计之后，实际中由于水汽的存在，性能会降低。其次，为了使完美吸收体的吸收率对thz电磁波的偏振产生鲁棒性，需要在设计时就根据对称性原则将不同偏振的入射电磁波考虑在内，这给设计增加了难度。另外，中国专利申请号为201711121388.0的文献中公开的一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器及其应用，图案层仅仅采用十字形由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成。其十字形的太赫兹(thz)双波带吸收器没有考虑空气中水汽对太赫兹波吸收中心频率的影响；而且，采用石墨烯材料增加了吸收器的成本，石墨烯加工较麻烦，且易损坏，不比金属具有高的稳定性。
4.在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
5.现有技术在实现thz电磁波的完美吸收的同时会受thz电磁波偏振的影响，且空气中水汽会对设计频点处的吸收率产生较大的影响。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种用于吸收2thz电磁波的装置，以解决现有thz电磁波在吸收时受偏振与水汽的影响导致的吸收率低的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
8.本实用新型提供的一种用于吸收2thz电磁波的装置，包括依次固定连接的滤波层、吸收层和反射层；所述滤波层设置有滤波结构，所述滤波结构呈十字形状，具备四重旋转对称性；所述滤波结构包括多个相互交错连接的长轴，以及多个固定在所述长轴两端的短轴；入射的2thz电磁波经所述滤波层滤波后进入所述吸收层，一部分入射的所述2thz电磁波经所述吸收层吸收，另一部分未被吸收的所述2thz电磁波进入所述反射层，经所述反射层反射，反射后的所述2thz电磁波经所述吸收层吸收。
9.优选的，所述吸收层和反射层的水平横截面均为正方形，其边长为66μm。
10.优选的，所述长轴的数量为2个，每个所述长轴两端各固定连接一个所述短轴；每个所述长轴交叉设置形成十字形状，所述长轴、短轴形成重旋转对称性结构。
11.优选的，每个所述长轴的长度为55μm；固定连接在每个所述长轴两端的每个所述短轴的长度均为16.8μm，其宽度均为3μm。
12.优选的，所述短轴、长轴均与所述吸收层的表面抵接，所述短轴与所述吸收层边沿的最短距离为2μm。
13.优选的，所述滤波结构的滤波公式为：
[0014][0015]
其中，lg为所述滤波结构材质的电感。
[0016]
优选的，cg的公式如下：
[0017][0018]
其中，w是所述短轴的长度；a是所述吸收层和反射层的水平横截面的正方形的边长，g是所述最短距离的2倍；∈
re
是有效介电常数；∈0＝8.85
×
10-12f·
m-1
。
[0019]
优选的，ld的公式如下：
[0020][0021]
其中，∈r、h分别为所述吸收层的介电常数、厚度，ω为入射电磁波的角频率，k为介质中的波数。
[0022]
优选的，所述滤波结构、反射层的厚度范围均为1
±
0.1μm。
[0023]
优选的，所述滤波结构、反射层的材质均为金属；所述吸收层的材质为硅。
[0024]
实施本实用新型上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
[0025]
本实用新型通过在顶端十字形状、且具备四重旋转对称性的滤波结构，解决了现有技术在吸收2thz电磁波时受偏振与水汽的影响导致的吸收率低的技术问题。本装置结构精巧，鲁棒性好，在没有水汽时，对2thz电磁波能够实现完全吸收；当存在水汽时，对2thz电磁波能够达到95％以上吸收率。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
[0027]
图1是本实用新型实施例的一种用于吸收2thz电磁波的装置的结构示意图；
[0028]
图2是本实用新型实施例的一种用于吸收2thz电磁波的装置的结构拆分示意图；
[0029]
图3是本实用新型实施例的一种滤波结构的结构拆分示意图；
[0030]
图4是本实用新型实施例的一种滤波结构的长轴、短轴的尺寸大小及其在吸收层的水平表面的示意图；
[0031]
图5是本实用新型实施例的各层横截面尺寸大小(a)对装置性能影响的仿真结果图；
[0032]
图6本实用新型实施例的装置的等效电路图；
[0033]
图7本实用新型实施例的水膜存在下对器件影响的仿真结果图；
[0034]
图8本实用新型实施例的不同线偏振入射thz电磁波的吸收率仿真结果图；
[0035]
图9本实用新型实施例的不存在与存在短轴的十字结构对2thz电磁波吸收率的对比图。
[0036]
图中：1、滤波层；11、滤波结构；111、长轴滤波结构；112、短轴；12、水膜；2、吸收层；3、反射层。
具体实施方式
[0037]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本实用新型可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本实用新型的范围和实质。
[0038]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0039]
为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
[0040]
实施例一：
[0041]
如图1-4所示，本实用新型提供了一种用于吸收2thz电磁波的装置，包括依次固定连接的滤波层1、吸收层2和反射层3。滤波层1包括水膜以及与水膜固定连接的滤波结构；滤波结构包括多个相互交错连接的长轴111，以及多个固定在长轴111两端的短轴112，长轴111与短轴112为一体结构。由长轴和短轴构成的滤波结构11呈十字形状，具备四重旋转对称性。具体来说，thz电磁波入射到该装置上，首先，顶端的“十字”滤波结构11做为滤波器只通过2thz电磁波，当然2thz附近(如1.98-2.02thz)的电磁波也可通过，反射其余的thz波段；其次，2thz电磁波进入中间吸收层2被吸收；最后，底端的反射层3反射剩余未被吸收层2吸收的2thz电磁波，使之再次进入中间硅层，达到完全吸收。通过上述设计，任何线偏振的垂直入射电磁波可以分解为沿着“十字”的两个垂直分量，(椭)圆偏振的电磁波先分解为两个相互垂直的线偏振电磁波再按照上述线偏振进行处理，所以器件的吸收率与电磁波的偏振无关。另外，短轴的设置能够有效降低水汽对空气中的水汽对2thz电磁波吸收率的影响。
[0042]
需说明的是，为说明水汽对本装置的吸收率的影响，本装置还设置了与滤波结构11固定连接的水膜(当然，水膜也可以用来保护滤波结构)，水膜贴附在滤波结构11周围，与滤波结构11同厚度。由于“十字”结构具有四重旋转对称性，理论和仿真验证了本实用新型
的装置吸波特性与入射thz电磁波的偏振无关；而且，空气中的水汽对thz电磁波吸收严重，为此本实用新型仿真验证了在水汽的影响下，该器件仍能在2thz处达到95％以上的吸收率(参见实施例二)。因此，本装置对入射2thz电磁波的偏振具有鲁棒性，即2thz电磁波的偏振不影响吸收率，同时，也大大降低了空气中的水汽对2thz电磁波吸收率的影响。
[0043]
进一步地，水膜贴附在每个短轴112的表面。滤波结构11、吸收层2固定连接，其固定连接方式包括但不限于背胶固定、卡扣连接。本实施例中，长轴111的数量优选为2个，每个长轴111两端各固定连接一个短轴112，2个长轴111交叉设置形成十字形状，长轴111与短轴112形成t字形状。优选的，2个长轴111的长度为55μm；固定连接在2个长轴111两端的2个短轴112的长度均为16.8μm，其宽度均为3μm。更为进一步地，短轴112、长轴均与吸收层2的表面抵接，即凸出吸收层2的表面，短轴112(长与高或厚度形成的表面，位于短轴最外面)与吸收层2边沿的最短距离为2μm。
[0044]
如图5所示，本装置各层的尺寸对吸收中心频率影响较大，减少各层水平横截面的长度，中心频率蓝移，增加各层水平横截面长度，中心频率红移。因此，经测算，滤波结构11、吸收层2和反射层3的水平横截面均为正方形，其边长为66μm。
[0045]
进一步地，滤波结构厚度、反射层的厚度范围厚度范围均为1
±
0.1μm，本实施例中的滤波结构11、反射层3的厚度均优选为1μm。优选的，滤波结构11、反射层3的材质均为金属，且滤波结构11的厚度为1μm。即，固定件112、长轴111、短轴112的厚度均为1μm；吸收层2的材质为硅。在本实施例中，水膜的厚度可以为1μm，吸收层2的厚度可为50μm。需说明的是，滤波结构11、吸收层2、反射层3上述材质能够大大降低本装置成本，同时不影响本装置的滤波效果。
[0046]
需说明的是，本装置的顶端滤波结构11对thz电磁波滤波，只允许2thz附近的thz电磁波透过，其余波段被反射，这一过程公式推导如下：
[0047]
如图6所示，为本装置的吸收层2的等效电路。滤波结构11的滤波公式为：
[0048][0049]
其中，lg金属电感，其等效计算公式如下：
[0050][0051]
其中，c＝299792458m/s，是真空中的光速；l是长轴111的长度，其值为55μm；z0是特征阻抗，公式如下：
[0052][0053]
其中，h是吸收层2的厚度，其值为50μm；w是短轴112的宽度，其值为3μm；η0是真空阻抗，其公式为：μ0＝1.26
×
10-6h·
m-1
，∈0＝8.85
×
10-12f·
m-1
，η0≈377ω；
[0054]
∈
re
是有效介电常数，且：
[0055][0056][0057]
其中，∈r＝11.9，是中间吸收层2的介电常数；
[0058]
阻抗zd＝jωld是垂直入射时，金属(滤波结构的材质)与介质硅之间的阻抗，且：
[0059][0060]
其中，k为介质中的波数，ω是入射电磁波的角频率，根据实际入射角度确定，由此，可以推导得出ld的公式为：
[0061][0062]
当kh＜＜1时，ld＝μ0h；
[0063]
电感cg的计算公式为：
[0064][0065]
其中，w是短轴112的长度；a是吸收层2和反射层3的水平横截面的正方形的边长，其值优选为66μm；g是上述最短距离的2倍，其值为4μm。
[0066]
经过上述计算步骤，顶端滤波结构11对入射thz电磁波进行滤波，通过2thz，反射其它波段；接着，剩余的未被吸收的2thz电磁波被底端金属反射层3反射再次进入中间吸收层2被吸收。在顶端的滤波结构11加上水膜，仍按照上述流程，检验水汽对该器件的影响。最后修改a参数、顶端”十字“层厚度进行仿真计算，得出结论：装置的水平横截面的正方形的长度a的精度对装置性能影响大，a减小，装置中心频率蓝移，a增大，器件中心频率红移；顶端”十字“结构层厚度对器件的影响不大；以上计算为器件的后续加工提供依据。
[0067]
综上所述，本实施例的装置通过在顶端十字形状、且具备四重旋转对称性的滤波结构，解决了现有技术在吸收2thz电磁波时受偏振与水汽的影响导致的吸收率低的技术问题。本装置结构精巧，鲁棒性好，在没有水汽时，对2thz电磁波能够实现完全吸收；当存在水汽时，对2thz电磁波能够达到95％以上吸收率。
[0068]
实施例二：
[0069]
如图7-8本实施例提供了实施例一中装置对2thz电磁波在有水汽与无水汽吸收效果的效果仿真实验。由图可以看出，本装置实现了本实用新型的目的，即在没有水汽时，对2thz电磁波能够实现完全吸收；当存在水汽时，对2thz电磁波能够达到95％以上吸收率。2thz电磁波在不同角度的偏振，对2thz电磁波的吸收率无影响。
[0070]
实施例三：
[0071]
如图9所示，本实用新型还提供了一种不存在短轴与存在短轴的十字结构对thz电磁波吸收率的比较。由图可以看出，不存在短轴的情况下吸收率呈现出2thz中心频点左右严重不对称分布，有效吸收带宽不到40ghz，而加上短轴之后中心频点左右存在80ghz的对
称吸收。例如，入射到器件的太赫兹波(thz)同时存在2thz和2.04thz的频率，我们期望吸收2thz而保留2.04thz，使用十字加短轴结构即可实现2thz的100％吸收，2.04thz只吸收30％，而高达70％的被保留；不存在短轴的十字结构对中心频率吸收也能达到100％但是对比中心频率高40ghz的太赫兹波吸收率高达50％，如此不能达到吸收中心频率而保留高出中心频率40ghz太赫兹波的目的。
[0072]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。