一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能技术领域中的太赫兹吸收器，其目的在于：包括上层图形化功能材料层、中间介质层和下层金属反射层；上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，超材料单元结构包括圆环结构，圆环结构上开设有4个平行开口，圆环结构内设置有十字臂，十字臂的四条连接臂与圆环结构的四组圆弧段连接；超材料单元结构阵列的晶格周期a为10um至100um，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，连接臂的臂长x为3um至50um，平行开口的宽度d为0.5um至50um。本发明无需通过采用工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式来实现太赫兹吸收频带展宽的目的。
【专利说明】
一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器
技术领域
[0001]本发明属于超材料及电磁功能技术领域，涉及一种太赫兹吸收器。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz，I THz=112Hz)辐射或太赫兹波通常指频率在0.1THz至1THz之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外光波之间，是电磁波谱中有待进行全面研究和深入挖掘的最后一个频率窗口。近年来，随着太赫兹源和探测技术的稳步发展，太赫兹技术在物理、化学、生物、医药、通信等领域显示出巨大的科研价值和应用前景。然而，要利用好一种频谱资源，辐射源、功能器件和探测器构成的有机整体应当得到全面的发展。由于传统基于光学和电子学方法的类似器件在太赫兹波段都不太适用，以及大多数常规材料对太赫兹波的操控性能极为有限，目前适用于太赫兹频段的功能器件(如吸收器、调制器、滤波器、开关、起偏器等)仍非常匮乏，这大大限制了太赫兹技术的进一步发展。近几年，国内外对人工电磁超材料的广泛研究为研制高性能太赫兹功能器件开辟了一条行之有效的技术途径。人工电磁超材料(简称超材料)是指具有天然常规材料所不具备的超常物理性质的人造周期性结构材料，可以通过设计特定单元结构来控制其电磁属性，使其能够实现负折射率、完美透镜等奇特性质以及对太赫兹波产生强烈响应或操控作用。迄今为止，人们已将多种太赫兹功能材料与超材料器件结构相结合，实现了对太赫兹波不同的操控效果，积累了不少研究成果和可供借鉴的技术经验，而随着新型功能材料的不断发掘、超材料结构的不断创新，高性能太赫兹功能器件仍有很大的发展空间。
[0003]如申请号为201310419542.8的发明专利申请就公开了一种多层超材料单元结构的性能调控方法，其由上至下依次为表层金属、上层介质、中间层金属、下层介质、底层金属。表层及中间层金属由尺寸不同的金属环所组成，且这两层金属环之间同时存在重叠区域与未重叠区域，结构的底层金属为连续的金属膜。此外，附图4就公开了多种可代替其表层金属及中间层金属的金属图形。然而，从附图3、图5、图7可以看出，该吸收器吸收率在90%以上的频带宽度大致为0.1ΤΗζ(频段为2.3THz至2.4THz)，这种超材料吸收器通常工作在这单一频段，且吸收频带较窄，严重限制了其在实际中的应用。
[0004]此外，申请号201410560036.5的发明专利申请也公开了一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，该太赫兹超材料吸收器包括金属反射层、介质层和金属图案层，所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度;介质层位于金属反射层和金属图案层之间，为二氧化硅薄膜;金属图案层由呈L型的单元超材料结构周期性排列而成，且每个L型单元超材料结构均由相互垂直的水平臂和垂直臂连接而成。该太赫兹超材料吸收器经过CST Microwave Stud1 2013电磁仿真软件中的频域算法模拟计算，在垂直入射IE波情况下，该吸收器吸收率在90%以上的频带宽度可达1.4THz(频段为2.8THz至4.2THz)，但该频带宽度仍显得较小，仍具有较大的展宽空间。
[0005]现有技术中，基于超材料的太赫兹吸收器的工作频段往往受限于器件结构，吸收器的器件结构往往就能决定该吸收器的谐振带宽。由于大多数超材料器件的谐振峰相对独立、相互分开，因此单峰谐振对应的吸收带宽狭窄；而现有技术一般是通过渐变单元结构、多层结构堆叠或多种结构复合等方式达到谐振频带展宽目的，上述展宽的方式在工艺实现上难度较大，工序复杂，制备成本高，使吸收器的推广受到限制。此外，现有技术中，太赫兹吸收器通常使用金、银等高电导率的金属材料，金、银等高电导率的金属材料的大范围使用严重限制了将其他材料应用于太赫兹吸收器中。
【发明内容】
[0006]本发明的发明目的在于:针对现有技术存在的问题，提供一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，通过优化超材料单元结构的结构、尺寸，从而在采用三层结构堆叠的情况下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的频带宽度，无需采用工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式来实现太赫兹吸收频带展宽的目的，促进宽频带太赫兹超材料吸收器在实际中的应用以及提高其应用效率，从而制备工艺易于实现，制备成本降低。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，包括依次设置的上层图形化功能材料层、中间介质层和下层金属反射层;所述上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，所述超材料单元结构包括圆环结构，所述圆环结构上沿圆环结构的周向均匀开设有4个平行开口，所述圆环结构内设置有十字臂，所述十字臂的四条连接臂一一对应与圆环结构的四组圆弧段的中部连接；所述超材料单元结构阵列的晶格周期a为1um至I OOum，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至I Oum，所述连接臂的臂长x为3um至50um，所述平行开口的宽度d为0.5um至50umo
[0008]其中，所述上层图形化功能材料层的厚度为0.05um至20um，且上层图形化功能材料层的电导率大于103S/m。
[0009]其中，所述上层图形化功能材料层的材料为金属相二氧化钒或石墨。
[00?0]其中，所述中间介质层的厚度为0.1um至20um，且中间介质层的介电常数大于2的电介质。
[0011]其中，所述中间介质层的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。
[0012]其中，所述下层金属反射层为由高电导率的金属材料制成的连续金属薄膜，所述下层金属反射层的厚度为0.05um至Ium0
[0013]其中，所述下层金属反射层的厚度大于太赫兹波的对于下层金属反射层的趋肤深度δ_，的计算公式为:δ_=ΟυΤΗζ.σ:^)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫兹波频率，■为金属磁导率，(??为金属电导率。
[0014]其中，所述高电导率的金属材料为金、银、铜或铝。
[0015]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
1、本发明中，该吸收器的上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，且该超材料单元结构由圆环结构和十字臂组成特殊结构;在采用了上述特殊解结构超材料单元的吸收器进行工作时，当上层图形化功能材料层的电导率达到2.7 X 15 S/m时，该电场主要集中在相邻两个超材料单元结构上下边缘之间，并在上下边缘和底层材料之间形成电流回路，表现为超材料单元结构之间的LC谐振特征;在某一频率处的电场主要分布在超材料单元结构的开口缝隙处，电流在四个扇形的圆弧段内形成回路，表现为超材料单元结构内部的LC谐振特征；从而在频率1.71THz和3.SlTHz位置处或附近位置出现明显的吸收峰特性，两个吸收峰叠加形成宽频吸收带，吸收率峰值可达到99.99%，吸收器吸收率在90%以上的频带宽度可达2.1THz，因而在采用三层结构堆叠的情况下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的频带宽度，且只需采用现有的三层结构堆叠的工艺制备即可，无需采用其它工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式里实现太赫兹吸收频带展宽的目的，促进宽频带太赫兹超材料吸收器在实际中的应用以及提高其应用效率，从而制备工艺易于实现，制备成本降低。
[0016]2、本发明中，上层图形化功能材料层的材料为金属相二氧化钒或石墨，当二氧化钒薄膜电导率达到2.7X 15 S/m时，二氧化钒薄膜完成半导体-金属相变成为金属相，相变过程中二氧化钒薄膜的电导率能够发生四个数量级的突变，由?10S/m变化到?15 S/m，二氧化钒薄膜在相变过程引起了吸收器的阻抗发生变化，当特定频率的吸收器阻抗与自由空间阻抗达到匹配时，该频率的太赫兹波最大限度地进入到吸收器内壁，与吸收器产生谐振，使吸收器对太赫兹波的吸收损耗达到最大；当电导率变为2.7 X 15 S/m时，1.71THz和3.SlTHz宽频段范围内，吸收器阻抗与与自由空间阻抗达到良好匹配，相应的太赫兹波吸收率高，反射率低，且在频率1.71THz和3.81THz处吸收器对太赫兹波的吸收率能达到99.9%，吸收效率超过97%的频率带宽约为1.54THz，相对于半导体调制幅度增大了90%;若用金取代二氧化钒，结构不变，吸收器对太赫兹波的吸收强度大大减小，这与以往大多数图形化金膜超材料产生的强吸收效果显著不同，因而电导率相对较低的二氧化钒等功能材料更适合于该结构的吸收，大大拓宽了吸收器对图形化材料的选择面，促进二氧化钒等电导率相对较低的功能材料的应用与发展。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的超材料单元结构的阵列示意图；
图2为本发明的超材料单元结构的结构示意图；
图3为本发明的超材料单元结构的主视图；
图4为本发明中上层图形化功能材料层的材料选用金属相二氧化钒时的数值仿真吸收率图；
图5为实施例一中频率在1.7ITHz处超材料单元结构的电场分布；
图6为实施例一中频率在1.7ITHz处超材料单元结构的XY面的电流密度分布；
图7为实施例一中频率在1.7ITHz处超材料单元结构的ZY面的电流密度分布；
从图5、6、7可看出，该电场主要集中在相邻两个超材料单元结构上下边缘之间，且上下边缘与底层材料之间形成电流回路，表现为超材料单元结构之间的LC谐振特征；
图8为实施例一中频率在3.8 ITHz处超材料单元结构的电场分布；
图9为实施例一中频率在3.8 ITHz处超材料单元结构的XY面的电流密度分布；
从图8、9可以看出，该电场主要分布在超材料单元结构的开口缝隙处，电流在四个扇形的圆弧段内形成回路，表现为超材料单元结构内部的LC谐振特征；
图10为实施例一中在不同平行开口宽度d值情况下吸收器的太赫兹波吸收谱；
从图10可见，开口宽度d的减小使得等效电容C增大，并导致谐振频率减小，吸收带宽缩窄；
图11为实施例一中在不同晶格周期a值情况下吸收器的太赫兹波吸收谱； 从图11可以看出，随着超材料单元结构晶格周期的增大，低频处的谐振频率逐渐右移，高频处的谐振频率变化较小，这主要是因为超材料单元结构晶格周期的增大使得相邻两个超材料单元结构之间的等效电容变小，超材料单元结构之间的LC谐振频率增大，使得吸收率带宽缩窄；
图12为本发明中上层图形化功能材料层的材料选用石墨时的数值仿真吸收率图；
其中，附图标记为:I一上层图形化功能材料层、2—中间介质层、3—下层金属反射层、11一圆弧段、12—十字臂、13—平行开口、14一连接臂。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0019]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]—种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，该吸收器包括上层图形化功能材料层1、中间介质层2和下层金属反射层3，其中中间介质层2位于上层图形化功能材料层1、下层金属反射层3之间。
[0021]该上层图形化功能材料层I是由若干的超材料单元结构阵列排列而成的，且超材料单元结构阵列的晶格周期a为1um至lOOum。该超材料单元结构为一种特殊的单元结构，超材料单元结构包括圆环结构和十字臂12，该十字臂12位于圆环结构形成“θ”型结构。该圆环结构上还开设有四组平行开口 13，四组平行开口 13均匀地沿圆环结构的周向分布，且每组平行开口 13的两侧面均相互平行；四组平行开口 13将圆环结构分割为四组扇形结构的圆弧段U。该十字臂12包括四条连接臂14，四条连接臂14以相互夹角90°的方式周向设置，且四条连接臂14均连接于同一点形成十字形结构的十字臂12。该四条连接臂14的连接点与圆环结构的圆心重叠，每一条连接臂14的另一端与对应位置处的圆弧段11的中部位置连接，因而四条连接臂14与四组圆弧段11一一对应连接。每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，每条连接臂14的臂长1为311111至50111]1，每个平行开口 13的宽度d为0.5um至50umo
[0022]该上层图形化功能材料层I的厚度为0.05um至20um，且上层图形化功能材料层I的材料不局限于金、银、铜或铝等高电导率金属，只需该上层图形化功能材料层I的电导率大于103S/m即可。作为优选，上层图形化功能材料层I的材料为金属相二氧化钒或石墨。
[0023]该中间介质层2的厚度h为0.1um至20um，且中间介质层2的介电常数大于2的电介质。作为优选，中间介质层2的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。
[0024]该下层金属反射层3为由高电导率的金属材料制成的连续金属薄膜，且下层金属反射层3的厚度为0.05um至lum。作为优选，该高电导率的金属材料为金、银、铜或铝。
[0025]为了获得对太赫兹波的最大吸收，通过设计和优化超材料单元结构的结构、尺寸等参数，在特定频段处使得超材料的阻抗与自由空间的阻抗相匹配，此时入射电磁波在超材料表面的反射率极小，若此时底层镀一层足够厚的金属薄膜，使透射率变为O，那么太赫兹波将最大限度地进入到吸收器内部被吸收损耗。为了使太赫兹波透射率为0，将下层金属反射层3的厚度设计为大于太赫兹波的对于下层金属反射层3的趋肤深度δ_，δ_的计算公式为:δ_=ΟυΤΗζ.σ^ι)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫兹波频率，■为金属磁导率，为金属电导率。
[0026]实施例1
一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，该吸收器包括上层图形化功能材料层1、中间介质层2和下层金属反射层3。其中上层图形化功能材料层I采用金属相二氧化钒作为材料，上层图形化功能材料层I电导率为2.7Χ 15 S/m，上层图形化功能材料层I的厚度为0.3um。上层图形化功能材料层I的超材料单元结构的几何尺寸为:连接臂14的臂长X为7.5um，超材料单元结构的线宽m为3um，平行开口 13的宽度d为5um ；超材料单元结构阵列的晶格周期a为29um。中间介质层2采用厚度h为13um的聚酰亚胺;下层金属反射层3采用电导率为4.5 X 107S/m、厚度为0.3um(0.1THz的趋肤深度为0.23um)的连续金膜。
[0027]将该实施例中的吸收器结构经商业软件CST Microwave Stud1 2014频域求解器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算，太赫兹波垂直入射超材料吸收器表面，相互垂直的磁场和电场偏振方向与阵列单元中十字垂直方向平行。吸收率计算公式为4=l_|Sn I [IS21
2，其中|Sn I为反射系数的模值，IS211为透射系数的模值，由于下层金属反射层3厚度大于0.1THz对应的趋肤深度，因此S21可以忽略不计，吸收率计算公式可以简化为4=1-1Sn 12。仿真计算得到的吸收谱如图4所示，结果表明该超材料吸收器的吸收率峰值达到99.99%@1.95THz，在1.71THz至3.81THz范围内的吸收率大于90%，对应的频带宽度达到2.1THz。
[0028]实施例2
本实施例的仿真计算条件与实施例1的大致相同，不同之处在于:将上层图形化功能材料层I采用石墨作为材料，其电导率为I X 15 S/m，超材料单元结构的平行开口 13的宽度d为9um，超材料单元结构阵列的晶格周期a为27um。
[0029]将该实施例中的吸收器结构经商业软件CST Microwave Stud1 2014频域求解器对其太赫兹波的吸收率进行仿真计算，太赫兹波垂直入射超材料吸收器表面，相互垂直的磁场和电场偏振方向与阵列单元中十字垂直方向平行。仿真计算得到的吸收谱如图12所示，该超材料吸收器的吸收率峰值达到99.99%i2.73THz，在2.0ITHz至3.72THz范围内的吸收率大于90%，对应的频带宽度达到1.71THz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:包括依次设置的上层图形化功能材料层(1)、中间介质层(2)和下层金属反射层(3);所述上层图形化功能材料层(I)由超材料单元结构排列而成，所述超材料单元结构包括圆环结构，所述圆环结构上沿圆环结构的周向均匀开设有4个平行开口(13)，所述圆环结构内设置有十字臂(12)，所述十字臂(12)的四条连接臂(14)一一对应与圆环结构的四组圆弧段(11)的中部连接;所述超材料单元结构阵列的晶格周期a为1um至I OOum，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至1um，所述连接臂(14)的臂长X为3um至50um，所述平行开口(13)的宽度d为0.5um至50um。2.如权利要求1所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述上层图形化功能材料层(I)的厚度为0.05um至20um，且上层图形化功能材料层(I)的电导率大于103S/m。3.如权利要求2所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述上层图形化功能材料层(I)的材料为金属相二氧化钒或石墨。4.如权利要求1所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述中间介质层(2)的厚度为0.1um至20um，且中间介质层(2)的介电常数大于2的电介质。5.如权利要求4所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述中间介质层(2)的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。6.如权利要求1所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述下层金属反射层(3)为由高电导率的金属材料制成的连续金属薄膜，所述下层金属反射层(3)的厚度为0.05um至Ium07.如权利要求6所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述下层金属反射层(3)的厚度大于太赫兹波的对于下层金属反射层(3)的趋肤深度δ_，的计算公式为:δ_=ΟυΤΗζ.σ:^)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫兹波频率，■为金属磁导率，(??为金属电导率。8.如权利要求6或7所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于:所述高电导率的金属材料为金、银、铜或铝。
【文档编号】H01Q17/00GK105896098SQ201610258722
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】罗振飞, 周逊, 孔维鹏, 陈晨, 王度
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心