專利名稱：基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是ー種電磁波的傳輸控制器件，尤其是太赫茲波段線偏振轉換的非對稱傳輸控制器件。
背景技術：
太赫茲(THz)波一般是指頻率在O. ITHz-lOTHz范圍內的電磁波，其波段位于微波與紅外波之間，有著重要的學術和應用研究價值。長期以來，科研人員一直在尋求可以控制太赫茲波傳輸的器件。然而常規材料難于在太赫茲波段實現電磁響應，特別是磁響應，使得人們在研制太赫茲器件，實現對太赫茲波的探測和操縱時面臨很多限制。人工電磁材料(Metamaterials)的出現恰好彌補了這ー缺憾。近幾年，基于人工電磁材料的太赫茲開關、調制器、移相器、傳感器、探測器、濾波器、吸波器等陸續出現，顯示出人工電磁材料在太赫茲科學和技術發展中巨大的應用潛力。 人工電磁材料是亞波長量級的結構單元按一定規律排列所構成的材料，可以實現天然材料所沒有的電磁特性，如負折射、完美透鏡、隱身斗篷等。2006年，N. Zheludev等人在平面手性人工電磁材料研究中發現了ー個新的、重要的電磁學效應-圓轉換ニ向色性，導致了宏觀的非対稱傳輸現象。各向異性的平面手性人工電磁材料中的圓偏振光非對稱傳輸依次在微波段、太赫茲波段和光波段得到了實驗驗證。理論仿真與微波段的實驗結果顯示，當圓偏振光的非対稱傳輸發生時，也將伴隨著吸收和反射的非対稱性。最近發現，圓轉換ニ向色性不一定需要本征2維手性結構，通過控制人工電磁材料與入射波的相對方位形成外致2維手性關系，也可觀察到圓轉換ニ向色性。同濟大學利用級聯非線性手性原子實現了亞波長電磁“ニ極管”，觀察到了微波的非対稱傳輸現象，并研究了微波段超薄人工電磁材料波導的非対稱傳輸現象，分析了層間倏逝波的耦合強度對非對稱現象的影響。非対稱傳輸現象為太赫茲偏振波傳輸的方向調控提供了新的途徑，對實現太赫茲隔尚器、太赫茲~■極管、太赫茲開關等超材料功能器件具有重大意義。人工電磁材料的非對稱傳輸現象以來，相關研究受到了廣泛關注。目前這方面研究多局限于圓偏振，未見太赫茲線偏振波轉換的非對稱傳輸的相關研究，尚沒有任何一個基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件的提出。
發明內容
本發明的目的在于提供ー種結構簡單、易于制備、價格低廉，能有效地實現太赫茲線偏振轉換的單向傳輸的基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件。本發明的目的是這樣實現的包括介質層和雙層人工電磁材料層；所述的介質層位于雙層人工電磁材料層之間，介質層是單晶硅或者有機高分子聚合物介質材料，厚度為微米量級；所述的雙層人工電磁材料層位于介質層兩側的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續U型的金屬結構。本發明還可以包括I、所述金屬結構采用金材料。2、雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結構形狀相同。3、雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結構 形狀不相同。4、雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結構形狀均為連續U型，兩層中連續U型人工電磁材料基本単元結構尺寸相同，結構單元之間的旋轉角為90度。5、雙層人工電磁材料層的基本單兀的金屬結構形狀ー層為直線型，另ー層為L型，L形金屬薄膜的兩邊長不相等，L形金屬條與直線金屬條寬度相等。人工電磁材料基本單元的周期為P，金屬結構的線寬為W，介質層厚度為t，器件工作在太赫茲波段。本發明提供了一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件，利用雙層手性人工電磁材料實現太赫茲線偏振波轉換的非對稱傳輸。該太赫茲波非對稱傳輸器件具有結構簡單、易于制備、價格低廉等特點，太赫茲線偏振波轉換的非対稱傳輸現象顯著，有效地實現太赫茲線偏振轉換的單向傳輸。本發明所提出的太赫茲波非対稱傳輸器件具有強的線偏振轉換ニ向色性，雙層手性結構實現了太赫茲線偏振波轉換的非対稱傳輸。該器件將可實現太赫茲波隔離器或太赫茲波ニ極管，對太赫茲人工電磁材料功能器件的發展具有重要意義。
圖I (a)是本發明的第一種實施方式的立體結構示意圖，圖I (b)是本發明的第一種實施方式的正面及其基本結構參數。圖2 (a)_圖2 (b)是本發明的第一種實施方式的工作原理不意圖。圖3 Ca)是本發明的第二種實施方式的立體結構示意圖，圖3 (b)是本發明的第ニ種實施方式的正面及其基本結構參數，圖3 (c)是本發明的第二種實施方式的反面及其基本結構參數。圖4 (a)-圖4 (b)是本發明的第二種實施方式的工作原理示意圖。圖5是本發明的第一種實施方式的透射(Γ;，な)曲線。圖6是本發明的第二種實施方式的透射(Txx，Txy, ，Txr)曲線。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述。本發明的第一種實施方式如圖I所不，太赫茲波非對稱傳輸器件S-1,包括介質層I和雙人工電磁材料層2、3 ;介質層位于雙人工電磁材料層之間，采用有機高分子聚合物介質材料，寬度P = 75 μ m ;雙人工電磁材料層位于介質層兩側的表面，每層由周期性排列的連續U型人工電磁材料基本單元構成，其中A = 15. 75 μ m, r2 = 22. 75 μ m, a = 24 μ m, w=7μπι，人工電磁材料采用金材料，其膜層厚度為200納米以上。下面再結合附圖2進ー步說明實施方案，首先為非對稱傳輸器S-I設置ー個XYZ坐標系，X軸與晶格單兀的長度方向平行，Z軸垂直于非對稱傳輸器的表面。如圖2 (a)所不，X方向偏振的線偏振光4沿Z軸正向垂直入射到上述非對稱傳輸器表面后,透射光為5。再令其沿Z軸負向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面，透射光為6，如圖2 (b).分別計算其透射率^(透射波振幅/入射波振幅)，下標i、j分別代表入射光和透射光的偏振態，上標d代表入射光的波矢方向，沿Z軸正向則為+，Z軸負向則為_。太赫茲波非對稱傳輸器S-I的透射幅值ね,ら曲線如圖5所示。圖中可以看出，在2. 5THz至3. 5THz之間，な與ら有著顯著的差異，線偏振波表現出正向與反向傳輸之間的非対稱性，本發明的第二種實施方式如圖3所示，太赫茲波非対稱傳輸器件S-2，包括介質層7和雙人工電磁材料層8、9 ;介質層位于雙人工電磁材料層之間，采用有機高分子聚合物介質材料，寬度P = 75 μ m ;雙人工電磁材料層分別為L型人工電磁材料層8和線型人工電磁材料層9,其中I1 = 50 μ m, I2 = 25 μ m, I3 = 60 μ m,w = 10 μ m。人工電磁材料采用金材料，其膜層厚度為200納米以上。 下面再結合附圖4進ー步說明實施方案，首先為非對稱傳輸器S-2設置ー個XYZ坐標系，X軸與晶格單兀的長度方向平行，Z軸垂直于非對稱傳輸器的表面。如圖4 (a)所示，線偏振光4沿Z軸正向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面后，透射光為10。再令其沿Z軸負向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面，透射光為11，如圖4(b)所示。分別計算其透射率^(透射波振幅/入射波振幅)，下標i、j分別代表入射光和透射光的偏振態，上標d代表入射光的波矢方向，沿Z軸正向為+, Z軸負向則為_。太赫茲波非對稱傳輸器件S-2的透射幅值Τχχ，Τχγ,，Γ燈曲線如圖6所示。圖中可以看出在I. 5ΤΗζ-3ΤΗζ之間，和^有著明顯的差異，線偏振波表現出正向與反向傳輸之間的非対稱性。特別是當入射線偏波頻率在2. 3ΤΗζ處，Txx和Tyy都比較小，該方案可實現高性能太赫茲線偏振轉換的非対稱傳輸器件。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件，包括介質層和雙層人工電磁材料層；其特征在于所述的介質層位于雙層人工電磁材料層之間，介質層是單晶硅或者有機高分子聚合物介質材料，厚度為微米量級；所述的雙層人工電磁材料層位于介質層兩側的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續U型的金屬結構。
2.根據權利要求I所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是所述金屬結構采用金材料。
3.根據權利要求I或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結構形狀相同。
4.根據權利要求I或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件,其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結構形狀不相同。
5.根據權利要求3所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結構形狀均為連續U型，兩層中連續U型人工電磁材料基本單元結構尺寸相同，結構單元之間的旋轉角為90度。
6.根據權利要求4所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結構形狀ー層為直線型，另ー層為L型，L形金屬薄膜的兩邊長不相等，L形金屬條與直線金屬條寬度相等。
全文摘要
本發明提供的是一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對稱傳輸器件。包括介質層和雙層人工電磁材料層；所述的介質層位于雙層人工電磁材料層之間，介質層是單晶硅或者有機高分子聚合物介質材料，厚度為微米量級；所述的雙層人工電磁材料層位于介質層兩側的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續U型的金屬結構。本發明的太赫茲波非對稱傳輸器件具有強的線偏振轉換二向色性，雙層手性結構實現了太赫茲線偏振波轉換的非對稱傳輸。可實現太赫茲波隔離器或太赫茲波二極管，對太赫茲人工電磁材料功能器件的發展具有重要意義。
文檔編號G02F1/01GK102692732SQ20121016263
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者關春穎, 劉星辰, 史金輝, 朱正, 王政平 申請人:哈爾濱工程大學