一种太赫兹波段超材料吸波器的制作方法

本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种多频带超材料吸波器。

背景技术：

近年来，太赫兹波产生源与太赫兹波检测被公认为是制约太赫兹技术发展的两大关键问题。而太赫兹波的吸收和能量捕获是实现太赫兹检测的基础，也是太赫兹波标定、调控、转换和应用的核心问题。相对于热释电材料和量子阱结构，利用超材料构建的太赫兹吸波器具有高效吸收、高度集成、设计灵活、室温工作等综合优势。超材料是一种由亚波长人工单元按照一定规律排列所构成的人工电磁材料。由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构、尺寸和分布形式来任意控制材料的电磁属性，从而获得多种新颖的特性，如负折射率、超透镜、完美吸收等。其中基于超材料的完美吸波器，在某一频点或者频段内对入射电磁波既不反射也不透射，达到完全吸收的效果。

目前，研究人员已经提出了多种超材料吸波器结构，但它们还面临着几个弊端：一、结构单元尺寸庞大，不利于器件的小型化和集成化发展；二、多层结构构建吸波器会大大增加了器件加工的难度和准确度，不利于器件的商业化发展；三、多频带吸收器的设计主要涉及一个、两个和三个频带，很少涉及更多频带吸波器的研究。这些问题将严重制约着超材料吸波器件的发展和实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种工作于太赫兹波段的具有多个频带的超材料吸波器。

本发明的目的是这样实现的：该超材料吸波器包括沿平面连续设置的多个吸波单元，所述每个吸波单元包括基底(1)、位于基底(1)正上方的金属层(2)、位于金属层(2)正上方的介质层(3)和位于介质层(3)正上方的形结构(4)，形结构(4)水平贴附于介质层(3)表面；所述基底(1)、金属层(2)、介质层(3)的横剖面均为矩形，形结构(4)的臂平行于矩形的其中一条边；所述基底(1)的几何中心、金属层(2)的几何中心、介质层(3)的几何中心和形结构(4)的几何中心在一条直线上。

作为优选，金属层(2)和形结构(4)由金、银、铜或铝中的一种金属材料制成。

作为优选，金属层(2)的厚度dh2为0.2～1微米。

作为优选，介质层(3)的材料为聚酰亚胺，其折射率为1.8，消光系数为0.06。

作为优选，介质层(3)的厚度t为8～16微米。

作为优选，形结构(4)的厚度dhl为0.2～1微米。

作为优选，形结构(4)的长度l1为65～75微米，l2为34～54微米，宽度w为6～15微米，间距g为14～27微米。

作为优选，基底(1)为高阻硅、砷化镓或石英晶体中的一种，其厚度d为50～1000微米，起支撑超材料吸波器的作用。

作为优选，基底(1)、金属层(2)、介质层(3)的横剖面矩形的一个边长px为80～90微米，另一个边长py为75～85微米。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1.超材料吸波器的顶层采用形金属条，结构简单，紧凑，易于实现；

2.本发明提出的超材料吸波器，可以在0.5～3.8thz的频率范围内实现四个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收率；

3.本发明提出的超材料吸波器结构所用材料皆为常规材料，易于实现。

附图说明

图1：本发明的三维结构示意图。

图2：图1的主视图。

图3：图1的仰视图。

图4：采用fdtdsolutions对本发明超材料吸波器进行仿真的反射率图。

图5：本发明超材料吸波器的垂直入射吸收率仿真结果图。

图6：本发明超材料吸波器分别在介质层有损耗和无损耗情况下垂直入射吸收率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、2、3所示，本发明提出的多频带超材料吸波器，所述每个吸波单元包括基底(1)、位于基底(1)正上方的金属层(2)、位于金属层(2)正上方的介质层(3)和位于介质层(3)正上方的形结构(4)，形结构(4)水平贴附于介质层(3)表面；所述基底(1)、金属层(2)、介质层(3)的横剖面均为矩形，形结构(4)的臂平行于矩形的其中一条边；所述基底(1)的几何中心、金属层(2)的几何中心、介质层(3)的几何中心和形结构(4)的几何中心在一条直线上。

当多个吸波单元沿平面连续设置时，基底(1)、金属层(2)、介质层(3)均连为一体，而形结构(4)之间则相互隔离，使各个吸波单元独立工作。

所述的介质层(3)为有损耗的聚酰亚胺，其折射率为1.8，消光系数为0.06。

所述的金属层(2)和形结构(4)同采用金、银、铜或铝中的一种，其电导率分别为：σ金＝4.1×10⁷s/m、σ银＝6.1×10⁷s/m、σ铜＝5.8×10⁷s/m和σ铝＝3.8×10⁷s/m。

作为实施例，每个吸波单元的四层结构各尺寸参数如下：晶格周期px＝85微米，py＝80微米；形结构(4)的长度l1为71微米，l2为49微米，宽度w为9微米，间距g为27微米；介质层(3)的厚度t＝13微米；金属层(2)和形结构(4)同采用铜材料，其厚度皆为0.5微米。

本实施例所述的五频带超材料吸波器的吸收率定义为a＝1-r-t，式中r为反射率，t为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸波单元的金属层(2)为全金属膜，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为a＝1-r。

图4为使用仿真软件fdtdsolutions对本发明进行仿真得到的反射率曲线图。

图5为通过反射率曲线计算绘制的本发明的垂直入射吸收率曲线。从图中可以看到，在0.5～3.8thz内有四个明显的吸收峰。这四个吸收峰在0.88thz，2.07thz，2.79thz和3.49thz处的吸收率分别为98.59％，99.94％，97.71％和99.78％，并且平均吸收率高达99.01％。这说明本发明提出的吸波器在四个频点上达到了近乎完美的吸收。

图6为本发明超材料吸波器分别在介质层有损耗和无损耗情况下垂直入射吸收率仿真结果图。从图中可以看出当介质层为有损耗的时候，各个频率点的吸收率明显高于使用无损耗的，从而反映出吸波器所吸收的能量主要以介质损耗为主，金属的欧姆损耗为辅。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。