一种超材料吸收器、装置、系统及其制备方法

本发明涉及太赫兹电磁波超材料技术领域，特别是涉及一种超材料吸收器、装置、系统及其制备方法。

背景技术：

太赫兹(thz)频带又称为thz空隙。太赫兹技术已经成为21世纪10大核心技术之一。太赫兹波是电磁波的一种，波长大概在30μm到3000μm范围内，介于微波与红外线之间。

太赫兹的光子能量很低、穿透性很高，能与生物大分子发生共振，具有生物指纹图谱特征。这些独特的电磁波特征使得太赫兹技术广泛的应用在生物医疗、通讯、公共安全等方面。因此，对太赫兹电磁波的吸收和调控成为目前科研的焦点。而目前现有的太赫兹波吸收器难以有效的、灵活地对太赫兹波的吸收进行动态调控。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种超材料吸收器、装置、系统及其制备方法，通过外部施加激光和电压相结合的调制方式，能够实现对太赫兹电磁波的吸收率和吸收频率的有效、灵活调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超材料吸收器，包括：

透光介质层；

反射金属层，设置在所述透光介质层的下表面；

石墨烯结构层，设置在所述透光介质层的上表面；

金属微谐振器结构层，设置在所述石墨烯结构层上；所述金属微谐振器结构层为具有总线拓扑结构的金属层；

在外部激光和/或外部电压作用下，所述石墨烯结构层和所述金属微谐振器结构层与太赫兹电磁波形成等离子共振；

在太赫兹电磁波传递至所述透光介质层时，所述透光介质层形成法布里-珀罗干涉共振，所述等离子共振与所述透光介质层形成的法布里-珀罗干涉共振相互耦合；

在工作状态下，通过调节外部激光和/或外部电压的工作参数，调节所述等离子共振的强度，以改变所述法布里-珀罗干涉共振与所述等离子共振的相互耦合强度，进而控制太赫兹电磁波的电磁响应。

可选地，所述金属微谐振器结构层至少包括一个基本金属单元；所述基本金属单元包括一条总线金属条、若干条支线金属条和与所述支线金属条数量相同的金属块；

若干条所述支线金属条的一端分别与所述总线金属条连接，每条所述支线金属条的另一端连接一个所述金属块。

可选地，当所述金属微谐振器结构层包括多个基本金属单元时，所述基本金属单元通过所述总线金属条相互连接并呈阵列式排列。

可选地，所述石墨烯结构层设置有基本石墨烯单元；所述基本石墨烯单元的数量与所述基本金属单元的数量相同，且所述基本石墨烯单元按照所述基本金属单元的排列形式布置；

所述基本石墨烯单元划分为石墨烯区域和空白区域；所述石墨烯区域为覆盖石墨烯的区域，所述空白区域未覆盖石墨烯；

所述基本石墨烯单元的所述石墨烯区域为所述基本金属单元中所述总线金属条、所述支线金属条以及排列顺序为偶数的金属块的投影区域，所述基本石墨烯单元的所述空白区域为所述基本金属单元中排列顺序为奇数的金属块的投影区域。

可选地，还包括设置在所述金属微谐振器结构层上的离子胶层；

所述离子胶层上设置有第一电极，所述金属微谐振器结构层上设置有第二电极；

所述第一电极与所述第二电极用于为连接外部电压。

可选地，所述透光介质层的厚度为500微米，所述反射金属层的厚度200纳米。

一种超材料吸收装置，包括：激光发射模块、电压模块以及一种超材料吸收器；

所述激光发射模块，设置在金属微谐振器结构层上；

所述电压模块，与所述金属微谐振器结构层连接。

一种超材料吸收系统，包括控制器以及一种超材料吸收装置；

所述控制器，与激光发射模块和电压模块均连接。

一种超材料吸收器的制备方法，包括：

制备透光介质层；

通过测控溅射工艺，在所述透光介质层的背面生长一层反射金属层；

利用化学气相沉积方法，制备石墨烯层，并将所述石墨烯层转移至所述透光介质层的正面；

利用光刻工艺，对所述石墨烯层进行结构化的制备，得到石墨烯结构层；

利用光刻工艺，在所述石墨烯结构层上制备金属微谐振器结构层。

可选地，所述利用光刻工艺，在所述石墨烯结构层上制备金属微谐振器结构层，具体包括：

在所述石墨烯结构层上放置光刻板；

在所述光刻板上旋涂光刻胶；

将所述光刻板移除，并对所述光刻胶进行曝光和显影处理，以在所述石墨烯结构层形成未被光刻胶覆盖区域和光刻胶覆盖区域；

利用测控溅射工艺，在所述未被光刻胶覆盖区域上生长金属微谐振器结构层，并剥离所述光刻胶。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的超材料吸收器引入了具有总线拓扑结构的金属微谐振器结构层和石墨烯结构层相互贴合的设计方案，在外部激光和/或外部电压作用下，石墨烯结构层和金属微谐振器结构层与太赫兹电磁波形成等离子共振，在太赫兹电磁波传递至所述透光介质层时，透光介质层形成法布里-珀罗干涉共振，所述等离子共振与透光介质层形成的法布里-珀罗干涉共振相互耦合对太赫兹电磁波进行吸收。在工作状态下，通过调节外部激光和/或外部电压的工作参数，导致石墨烯结构层的电导率发生变化，这种电导率的变化用以调节所述等离子共振的强度，进而改变所述法布里-珀罗干涉共振与所述等离子共振的相互耦合强度，从而控制太赫兹电磁波的吸收强度，实现对太赫兹电磁波的吸收率和吸收频率的有效、灵活调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的超材料吸收器的结构侧视图；

图2为本发明实施例一提供的超材料吸收器的单个基本金属单元结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的超材料吸收器的金属层单元结构阵列式排列的示意图；

图4为本发明实施例一提供的超材料吸收器的单个基本石墨烯单元结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的超材料吸收器的基本石墨烯单元阵列式排列的示意图；

图6为本发明实施例二提供的超材料吸收装置在电压和激光的联合作用下的吸收谱图；图6(a)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在施加同一电压、2个不同激光功率密度作用下的太赫兹电磁波的吸收谱；图6(d)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在与图6(a)相同条件下得到的仿真效果图；图6(b)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在照射同一功率密度的激光、施加2个不同电压下得到的太赫兹电磁波的吸收谱；图6(e)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在与图6(b)相同条件下得到的仿真效果图；

图6(c)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在施照射同一功率密度的激光、施加2个不同电压下得到的太赫兹电磁波的吸收谱；图6(f)为本发明实施例二提供的超材料吸收器在与图6(c)相同条件下得到的仿真效果图；

图7为本发明实施例二提供的超材料吸收装置结构图；

图8为本发明实施例三提供的超材料吸收系统结构图；

图9为本发明实施例四提供的超材料吸收器的制备方法流程图。

符号说明：

1-金属微谐振器结构层、2-石墨烯结构层、3-紫石英玻璃层、4-反射金属层、5-总线金属条、6-第五支线金属条、7-第五金属块、8-第四支线金属条、9-第四金属块，10-第三支线金属条、11-第三金属块、12-第二支线金属条、13-第二金属块、14-第一支线金属条、15-第一金属块、16-横向石墨烯区域、17-左石墨烯区域、18-右石墨烯区域、19-左空白区域、20-右空白区域和21-中间石墨烯区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超材料吸收器、装置、系统及其制备方法，通过外部施加激光和电压相结合的调制方式，能够实现对太赫兹电磁波的吸收率和吸收频率的有效、灵活调控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

人工超材料应用于吸收电磁波可以实现完美吸收，深受广大科研工作者的喜爱。随着科研工作者对吸收调控功能的追求，超材料吸收器不断扩展到双激发动态可调的领域。激光和电压结合双调控调控的总线拓扑结构超材料吸收器是光学研究兴趣浓厚的领域。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种超材料吸收器，该超材料吸收器包括：透光介质层3，作为一种优选的本实施方式，本实施例的透光介质层3具体使用紫石英玻璃层；反射金属层4，设置在紫石英玻璃层3的下表面；石墨烯结构层2，设置在紫石英玻璃层3的上表面，金属微谐振器结构层1，设置在石墨烯结构层2上；金属微谐振器结构层1为具有总线拓扑结构的金属层。

具有总线拓扑结构的金属微谐振器结构层1至少包括一个基本金属单元，一个基本金属单元为一个微谐振器。

可选地，如图2所示，本实施例的基本金属单元包括一条总线金属条5、5条支线金属条和5个金属块。本实施例中5条支线金属条从左至右的排列顺序依次为第一支线金属条14、第二支线金属条12、第三支线金属条10、第四支线金属8和第五支线金属条6，其中第一支线金属条14、第三支线金属条10和第五支线金属条6的长度一致且大于第二支线金属条12和第四支线金属8的长度。本实施例中5个金属块从左至右的排列顺序依次为第一金属块15、第二金属块13、第三金属块11、第四金属块9和第五金属块7，其中第一金属块15、第三金属块11和第五金属块7为椭圆形金属块，第二金属块13和第四金属块9为长方形金属块。

进一步地，如图2所示，5条支线金属条的一端分别与横向放置的总线金属条5连接，且5条支线金属条均布置在横向放置的总线金属条5的下方，每条支线金属条的另一端连接一个金属块，即实施例中的第一支线金属条14与第一金属块15连接，第二支线金属条12与第二金属块13连接，第三支线金属条10与第三金属块11连接，第四支线金属8与第四金属块9连接，第五支线金属条6与第五金属块7连接。

作为一种优选的实施方式，当金属微谐振器结构层包括多个基本金属单元时，基本金属单元之间通过总线金属条5相互连接并呈阵列式排列，如图3所示。

可选地，石墨烯结构层设置有基本石墨烯单元，基本石墨烯单元的数量与金属微谐振器结构层中的基本金属单元的数量相同，且基本石墨烯单元按照基本金属单元的排列形式布置，如图5所示。

作为一种优选的实施方式，基本石墨烯单元划分为石墨烯区域和空白区域；石墨烯区域覆盖石墨烯，空白区域未覆盖石墨烯。

进一步地，如图4所示，本实施中石墨烯区域包括横向石墨烯区域16、左石墨烯区域17、中间石墨烯区域21和右石墨烯区域18；空白区域包括左空白区域19和右空白区域20。

基本石墨烯单元的石墨烯区域为基本金属单元中总线金属条、支线金属条以及排列顺序为偶数的金属块的投影区域，基本石墨烯单元的空白区域为所述基本金属单元中排列顺序为奇数的金属块的投影区域。

作为一种优选的实施方式，本实施例中总线金属条5投影至横向石墨烯区域16，第一支线金属条14以及连接的第一金属块15投影至左石墨烯区域17，第三支线金属条10以及连接的第三金属块11投影至中间石墨烯区域21，第五支线金属条6以及连接的第五金属块7投影至右石墨烯区域18，第二支线金属条12投影至左石墨烯区域17，第二金属块13投影至左空白区域19，第四支线金属条8投影至右石墨烯区域18，第四金属块9投影至右空白区域20。

可选地，还包括设置在所述金属微谐振器结构层1上的离子胶层；离子胶层上设置有第一电极，金属微谐振器结构层1上设置有第二电极；第一电极与第二电极用于为连接外部电压。

作为一种优选的实施方式，本实施例中紫石英玻璃层3的厚度为500微米，用于产生法布里-珀罗干涉；所述反射金属层4的厚度200纳米，具有反射太赫兹电磁波的作用。

本实施例的超材料吸收器在外部激光和/或外部电压作用下，石墨烯结构层2和金属微谐振器结构层1与太赫兹电磁波形成等离子共振；等离子共振会在具有总线拓扑结构的各个微谐振器之间相互传递和耦合。在太赫兹电磁波传递至紫石英玻璃层3时，在紫石英玻璃层3形成法布里-珀罗干涉共振；等离子共振与紫石英玻璃层3形成的法布里-珀罗干涉共振相互耦合对太赫兹电磁波进行吸收。在工作状态下，通过调节外部激光和/或外部电压的工作参数，导致了石墨烯结构层2的电导率发生变化，这种电导率的变化用以调节所述等离子共振的强度，进而改变所述法布里-珀罗干涉共振与所述等离子共振的相互耦合强度，从而控制太赫兹电磁波的吸收强度，实现对太赫兹电磁波的吸收率和吸收频率的有效、灵活调控。

实施例二

请参见图7，本实施例提供一种超材料吸收装置，包括：激光发射模块、电压模块以及实施例一所示的一种超材料吸收器。

激光发射模块，设置在超材料吸收器的金属微谐振器结构层上，电压模块通过第一电极与第二电极与所述金属微谐振器结构层连接。

本实施例中的超材料吸收器包括多个基本吸收单元，基本吸收单元包括一个微谐振器、一个基本石墨烯单元和位于基本石墨烯单元下层的紫石英玻璃层及反射金属层。在调控过程中多个基本吸收单元之间相互作用进行等电磁响应的相互传递和耦合，共同对太赫兹波进行吸收。

本实施例中，太赫兹波从具有总线拓扑结构的金属微谐振器层垂直射入，经过石墨烯结构层2，紫石英玻璃层3，最后由反射金属层4反射再进过紫石英层3，石墨烯结构层2，从总线拓扑结构层1而出。理论上，在吸收率较强的频段，太赫兹波以热辐射的形式留在述吸收器内部。

本实施例通过激光发射模块发射不同功率密度的激光以及通过电压模块施加不同电压作用在超材料吸收器上，利用太赫兹时域光谱测试仪测试太赫兹电磁波的吸收谱线的变化情况。具体测试内容包括：在同一电压下用2个不同功率密度的532nm激光照射超材料吸收器，测试本实施例超材料吸收器对太赫兹电磁波的吸收情况和吸收峰的调制情况；在同一个功率密度的532nm激光照射下施加3个不同电压，测试本实施例超材料吸收器对太赫兹电磁波的吸收情况和吸收峰的调制情况。

将本实施例超材料吸收器搭载到太赫兹时域光谱测试仪中进行测试，太赫兹电磁波束设置为从具有总线拓扑结构的金属微谐振器结构层入射前，测试得到太赫兹电磁波的入射谱；当太赫兹电磁波从具有总线拓扑结构的金属微谐振器结构层射出后，测试得到太赫兹电磁波的反射谱，最后用入射谱减去反射谱得到吸收谱，如图6所示。

本实施例中激光发射模块照射激光的功率密度分别为0mw/cm²和178mw/cm²，电压模块施加的电压分别是0v、2v和4v。

图6a为施加电压为0v时，在超材料吸收器上照射激光的功率密度分别为0mw/cm²和178mw/cm²作用下，用太赫兹时域光谱测试仪测量调制的吸收谱线，得到本实施例的超材料吸收器在施加同一电压、2个不同激光功率密度作用下太赫兹电磁波的吸收谱。从图6a可知，超材料吸收器的吸收率由60％提升到了88％，提升了28％；这种吸收率的提升调制效果同时也在仿真中得到了确认，如图6d所示，超材料吸收器的吸收率由77％提升到了98％，提升了21％。图6a的实际测量结果与图6d的仿真结果的提升效果近似相同。

图6b为照射激光的功率密度为178mw/cm²时，施加电压分别是0v和2v作用下，用太赫兹时域光谱测试仪测量调制的吸收谱线，得到本实施例的超材料吸收器在照射同一功率密度的激光、施加2个不同电压下太赫兹电磁波的吸收谱。从图6b可知，超材料吸收器在太赫兹电磁波吸收峰位置处的吸收率均达到95％左右，但在0v和2v电压作用下吸收峰位置偏移了99ghz。这种吸收峰位置偏移的调制效果同时也在仿真中得到了确认，如图6e所示，超材料吸收器的在吸收峰位置处的吸收率为98％，同时吸收峰偏移了80ghz。图6b的实际测量结果与图6e的仿真结果的吸收峰偏移效果近似相同。

图6c为照射激光的功率密度为178mw/cm²时，施加电压分别是2v和4v作用下，用太赫兹时域光谱测试仪测量调制的吸收谱线，得到本实施例的超材料吸收器在照射同一功率密度的激光、施加2个不同电压下太赫兹电磁波的吸收谱。从图6c可知，超材料吸收器的在吸收峰位置处的吸收率由96％降低到了85％，降低了11％，实现了吸收率的降幅调制。这种吸收率的降幅调制效果同时也在仿真中得到了确认，如图6f所示，超材料吸收器的在吸收峰位置处的吸收率由96％降低到了77％，降低了19％。图6c的实际测量结果与图6f的仿真结果的降幅效果近似相同。

实施例三

请参见图8，本实施例提供一种超材料吸收系统，包括控制器以及实施例二所示的一种超材料吸收装置。

控制器分别与超材料吸收装置中的激光发射模块和电压模块连接；控制器用于控制激光发射模块输出激光的波长和功率密度等参数，控制器还用于控制电压模块输出的电压值。控制器通过控制激光和电压的工作参数以实现超材料吸收器对太赫兹电磁波的吸收率和吸收频率的有效、灵活调控。

实施例四

请参见图9，本实施例提供一种超材料吸收器的制备方法，包括：

步骤401：制备透光介质层。

步骤402：通过测控溅射工艺，在透光介质层的背面生长一层反射金属层。

步骤403：利用化学气相沉积方法，制备石墨烯层，并将石墨烯层转移至所述透光介质层的正面。

步骤404：利用光刻工艺，对石墨烯层进行结构化的制备，得到石墨烯结构层。

步骤405：利用光刻工艺，在石墨烯结构层上制备金属微谐振器结构层。

作为一种优选的实施方式，利用光刻工艺，在石墨烯结构层上制备金属微谐振器结构层，具体包括：

在所述石墨烯结构层上放置光刻板。

在所述光刻板上旋涂光刻胶。

将所述光刻板移除，并对所述光刻胶进行曝光和显影处理，以在所述石墨烯结构层形成未被光刻胶覆盖区域和光刻胶覆盖区域。

利用测控溅射工艺，在所述未被光刻胶覆盖区域上生长金属微谐振器结构层，并剥离所述光刻胶。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。