一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件

本发明涉及太赫兹波段超表面功能器件领域，尤其涉及一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，可以实现宽带吸收与四波段吸收相互转换功能。

背景技术：

1、太赫兹（terahertz，thz）波的工作频率在0.1~10thz，相应的波长为0.03mm~3mm，位于低能量电子学和高能量光子学之间的过渡区域。由于太赫兹波在电磁频谱中所处的独特位置，电磁波具有许多独特的优点：瞬态性、相干性、低能量性、高透射性等特点。因而使其在通信、传感、医疗、成像以及无损检测等领域应用广泛。

2、超材料是一种人工设计的周期性结构材料，具有天然材料所不具备的超常物理特性，例如负介电常数、负磁导率、负折射率，逆多普勒效应，能够对电磁波产生独特的电磁响应，实现对太赫兹波振幅、传输、相位等多样性的控制，是实现太赫兹调控器件的有效途径。超表面是超材料的二维对应，是一种周期性亚波长人工电磁介质，因其具有非线性效应、电磁诱导透明效应等特性，在太赫兹功能器件领域有着广泛的应用。

3、二氧化钒因其具有良好的相变特性，成为近年来可调谐太赫兹超材料的研究热点。二氧化钒在室温下呈现出绝缘特性，具有很高的电导率。当施加热、外部电场或光学刺激时可经历绝缘态到金属态的可逆相变，二氧化钒作为一种相变材料，具有响应速度快、调制深度大、多种调制等优点，是一种优良的功能材料，可广泛的应用于太赫兹功能器件当中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，旨在解决现有太赫兹器件功能单一，且一旦制成其性质就被固定且不可调谐的缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，由在同一水平面内周期性排列的n×n个周期结构单元组成，n为自然数，排列在与太赫兹波入射方向垂直的平面上。周期结构单元从上往下依次为：二氧化钒相变环形层、上部聚酰亚胺介质层、金属图案层、二氧化钒薄膜层、下部聚酰亚胺介质层和金属底层复合而成，结构单元周期p=32μm。

3、所述器件通过外部激励改变二氧化钒电导率使其表现出宽带吸收和四波段吸收双功能特性，实现主动控制的目的。外部激励可以为温度、光以及电压等。

4、其中，所述器件对x或y线偏振太赫兹波具有相同的电磁响应。

5、其中，金属底层材料为铜，厚度为0.2μm。

6、其中，上部介质层和下部介质层材料为聚酰亚胺，厚度分别为6.5μm、1.8μm。

7、其中，中间反射薄膜层材料为二氧化钒，厚度为0.2μm。

8、其中，金属图案层材料为铜，厚度为0.2μm。

9、其中，相变环形层材料为二氧化钒，厚度为0.2μm。

10、所述器件利用cst microwave studio 2019软件采用有限元法对双功能超表面结构进行全波电磁仿真。

11、上述仿真分析具体为：

12、仿真过程中采用频域求解器，网格采用四面体自适应网格划分。在x和y方向采用unit cell边界条件，在z方向采用open（add space）边界条件。通过floquet port 端口设置线偏振电磁波沿z轴传输，并且设置端口位置与顶部结构层之间的距离大于两个波长大小，以模拟实际远景中的远场探测。

13、在太赫兹波段，二氧化钒的光学介电常数可用drude模型描述：

14、。

15、式中，为二氧化钒的介电常数；表示高频介电常数；碰撞频率，为二氧化钒的电导率；为等离子频率。

16、。

17、 ，，入射电磁波的角频率。在仿真的过程中，我们采用了控制变量法和信任区域算法相结合的方法来优化结构参数。通过使用控制变量法，每次改变结构的一个参数，观察并分析该结构对研究问题的影响，从而进一步确定参数的变化范围。然后利用信任区域算法在适当的区域范围内进一步优化参数，最后得到优化后的结构参数。

18、本发明提供的技术方案的有益效果是：

19、1、该超表面器件基于二氧化钒的可逆相变特性实现对该超表面结构的主动控制，提高器件的灵活性和实用性，以便能够更好的应用到多种实际场景中。

20、2、该器件在二氧化钒处于金属态时呈现出宽带吸收功能，吸收率超过90%的带宽为3.62thz，相对带宽70%。由于结构的对称性，该宽带吸收器具有极化不敏感特性和较宽入射角吸收良好的特点。

21、3、该器件在二氧化钒处于绝缘态时呈现出四波段吸收功能，在2.39thz、2.83thz、3.84thz、4.61thz处吸收率在95%以上，具有较高的吸收率，由于结构的对称性，该四波段吸收器具有极化不敏感特性和较宽入射角吸收良好的特点。

22、4、利用二氧化钒的可逆相变特性，将宽带吸收器和四波段吸收器集成到一个超表面结构中，实现同一器件的不同功能切换，解决了传统超表面器件功能单一、工作带宽窄、吸收效率低的问题，使其更加具有灵活性和通用性，极大的满足成像、卫星导航、太赫兹通信等应用需要。

技术特征：

1.一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，由在同一水平面内周期性排列的n×n个周期结构单元组成，n为自然数，排列在与太赫兹波入射方向垂直的平面上。每个所述结构单元从顶层到底层依次包括二氧化钒相变环形层、上部聚酰亚胺介质层、金属图案层、二氧化钒薄膜层、下部聚酰亚胺介质层和金属底层复合而成，结构单元周期边长p=32μm。当二氧化钒处于金属态时，超表面实现宽带吸收功能；当二氧化钒处于绝缘态时，超表面实现四波段吸收功能。

2.如权利要求1所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：通过外部激励改变二氧化钒电导率实现二氧化钒由金属态到绝缘态的可逆相变，外部激励可以为光、温度以及电压。

3.如权利要求2所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述二氧化钒相变环形层的最外层环形图案外半径r1=14μm，内半径r2=12μm，中间环形图案外半径r3=10μm，内半径r4=8μm，最内层环形图案外半径r5=6μm，内半径r6=4μm，厚度h6=0.2μm，二氧化钒金属态时电导率为3×105s/m，二氧化钒绝缘态时电导率为3×102s/m。

4.如权利要求3所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述上部聚酰亚胺介质层厚度h5=6.5μm，聚酰亚胺介电常数为3.5。

5.如权利要4所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述金属图案层的厚度h4=0.2μm，金属图案层的材料为金属铜，铜的电导率5.96×107s/m。

6.如权利要求5所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述二氧化钒薄膜层的厚度h3=0.2μm。

7.如权利要求6所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述下部聚酰亚胺介质层厚度h2=1.8μm，聚酰亚胺介电常数为3.5。

8.如权利要求7所述的一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，其特征在于：所述金属底层的厚度h1=0.2μm，金属底层的材料为铜。

技术总结
本发明涉及太赫兹超表面功能器件领域，尤其涉及一种宽带吸收与四波段吸收可切换的太赫兹器件，包括多个结构单元，每个结构单元由二氧化钒相变环形层、上部聚酰亚胺介质层、金属图案层、二氧化钒薄膜层、下部聚酰亚胺介质层和金属底层复合而成。所述金属图案层由L条形图案，十字形图案和正方形图案构成。通过外部激励改变二氧化钒电导率，当二氧化钒处于金属态时起宽带吸收作用，当二氧化钒处于绝缘态时起四波段吸收作用，且都具有极化不敏感和广角吸收的特点。本发明可以实现同一器件的不同功能切换，解决了现有太赫兹器件一旦制成其性质就被固定且不可调谐的缺陷。

技术研发人员：牛军浩,会强,崔丽丽,莫玮,许川佩,朱爱军,龚昊卓,田仁芳
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17