一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，屬于超材料及電磁功能技術領域中的太赫茲吸收器，其目的在于：包括上層圖形化功能材料層、中間介質層和下層金屬反射層；上層圖形化功能材料層由超材料單元結構排列而成，超材料單元結構包括圓環結構，圓環結構上開設有4個平行開口，圓環結構內設置有十字臂，十字臂的四條連接臂與圓環結構的四組圓弧段連接；超材料單元結構陣列的晶格周期a為10um至100um，每個超材料單元結構的線寬m為0.5um至10um，連接臂的臂長x為3um至50um，平行開口的寬度d為0.5um至50um。本發明無需通過采用工序復雜、工藝難度高、制備成本高的方式來實現太赫茲吸收頻帶展寬的目的。
【專利說明】
一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器
技術領域
[0001]本發明屬于超材料及電磁功能技術領域，涉及一種太赫茲吸收器。
【背景技術】
[0002]太赫茲(THz，I THz=112Hz)輻射或太赫茲波通常指頻率在0.1THz至1THz之間的電磁波，在電磁波譜中位于微波和紅外光波之間，是電磁波譜中有待進行全面研究和深入挖掘的最后一個頻率窗口。近年來，隨著太赫茲源和探測技術的穩步發展，太赫茲技術在物理、化學、生物、醫藥、通信等領域顯示出巨大的科研價值和應用前景。然而，要利用好一種頻譜資源，輻射源、功能器件和探測器構成的有機整體應當得到全面的發展。由于傳統基于光學和電子學方法的類似器件在太赫茲波段都不太適用，以及大多數常規材料對太赫茲波的操控性能極為有限，目前適用于太赫茲頻段的功能器件(如吸收器、調制器、濾波器、開關、起偏器等)仍非常匱乏，這大大限制了太赫茲技術的進一步發展。近幾年，國內外對人工電磁超材料的廣泛研究為研制高性能太赫茲功能器件開辟了一條行之有效的技術途徑。人工電磁超材料(簡稱超材料)是指具有天然常規材料所不具備的超常物理性質的人造周期性結構材料，可以通過設計特定單元結構來控制其電磁屬性，使其能夠實現負折射率、完美透鏡等奇特性質以及對太赫茲波產生強烈響應或操控作用。迄今為止，人們已將多種太赫茲功能材料與超材料器件結構相結合，實現了對太赫茲波不同的操控效果，積累了不少研究成果和可供借鑒的技術經驗，而隨著新型功能材料的不斷發掘、超材料結構的不斷創新，高性能太赫茲功能器件仍有很大的發展空間。
[0003]如申請號為201310419542.8的發明專利申請就公開了一種多層超材料單元結構的性能調控方法，其由上至下依次為表層金屬、上層介質、中間層金屬、下層介質、底層金屬。表層及中間層金屬由尺寸不同的金屬環所組成，且這兩層金屬環之間同時存在重疊區域與未重疊區域，結構的底層金屬為連續的金屬膜。此外，附圖4就公開了多種可代替其表層金屬及中間層金屬的金屬圖形。然而，從附圖3、圖5、圖7可以看出，該吸收器吸收率在90%以上的頻帶寬度大致為0.1ΤΗζ(頻段為2.3THz至2.4THz)，這種超材料吸收器通常工作在這單一頻段，且吸收頻帶較窄，嚴重限制了其在實際中的應用。
[0004]此外，申請號201410560036.5的發明專利申請也公開了一種基于L型結構的寬帶太赫茲超材料吸收器，該太赫茲超材料吸收器包括金屬反射層、介質層和金屬圖案層，所述金屬反射層為一層連續的金屬薄膜，其厚度大于工作太赫茲波的趨膚深度;介質層位于金屬反射層和金屬圖案層之間，為二氧化硅薄膜;金屬圖案層由呈L型的單元超材料結構周期性排列而成，且每個L型單元超材料結構均由相互垂直的水平臂和垂直臂連接而成。該太赫茲超材料吸收器經過CST Microwave Stud1 2013電磁仿真軟件中的頻域算法模擬計算，在垂直入射IE波情況下，該吸收器吸收率在90%以上的頻帶寬度可達1.4THz(頻段為2.8THz至4.2THz)，但該頻帶寬度仍顯得較小，仍具有較大的展寬空間。
[0005]現有技術中，基于超材料的太赫茲吸收器的工作頻段往往受限于器件結構，吸收器的器件結構往往就能決定該吸收器的諧振帶寬。由于大多數超材料器件的諧振峰相對獨立、相互分開，因此單峰諧振對應的吸收帶寬狹窄；而現有技術一般是通過漸變單元結構、多層結構堆疊或多種結構復合等方式達到諧振頻帶展寬目的，上述展寬的方式在工藝實現上難度較大，工序復雜，制備成本高，使吸收器的推廣受到限制。此外，現有技術中，太赫茲吸收器通常使用金、銀等高電導率的金屬材料，金、銀等高電導率的金屬材料的大范圍使用嚴重限制了將其他材料應用于太赫茲吸收器中。
【發明內容】
[0006]本發明的發明目的在于:針對現有技術存在的問題，提供一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，通過優化超材料單元結構的結構、尺寸，從而在采用三層結構堆疊的情況下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的頻帶寬度，無需采用工序復雜、工藝難度高、制備成本高的方式來實現太赫茲吸收頻帶展寬的目的，促進寬頻帶太赫茲超材料吸收器在實際中的應用以及提高其應用效率，從而制備工藝易于實現，制備成本降低。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，包括依次設置的上層圖形化功能材料層、中間介質層和下層金屬反射層;所述上層圖形化功能材料層由超材料單元結構排列而成，所述超材料單元結構包括圓環結構，所述圓環結構上沿圓環結構的周向均勻開設有4個平行開口，所述圓環結構內設置有十字臂，所述十字臂的四條連接臂一一對應與圓環結構的四組圓弧段的中部連接；所述超材料單元結構陣列的晶格周期a為1um至I OOum，每個超材料單元結構的線寬m為0.5um至I Oum，所述連接臂的臂長x為3um至50um，所述平行開口的寬度d為0.5um至50umo
[0008]其中，所述上層圖形化功能材料層的厚度為0.05um至20um，且上層圖形化功能材料層的電導率大于103S/m。
[0009]其中，所述上層圖形化功能材料層的材料為金屬相二氧化釩或石墨。
[00?0]其中，所述中間介質層的厚度為0.1um至20um，且中間介質層的介電常數大于2的電介質。
[0011]其中，所述中間介質層的材料為二氧化硅或聚酰亞胺。
[0012]其中，所述下層金屬反射層為由高電導率的金屬材料制成的連續金屬薄膜，所述下層金屬反射層的厚度為0.05um至Ium0
[0013]其中，所述下層金屬反射層的厚度大于太赫茲波的對于下層金屬反射層的趨膚深度δ_，的計算公式為:δ_=ΟυΤΗζ.σ:^)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫茲波頻率，■為金屬磁導率，(??為金屬電導率。
[0014]其中，所述高電導率的金屬材料為金、銀、銅或鋁。
[0015]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1、本發明中，該吸收器的上層圖形化功能材料層由超材料單元結構排列而成，且該超材料單元結構由圓環結構和十字臂組成特殊結構;在采用了上述特殊解結構超材料單元的吸收器進行工作時，當上層圖形化功能材料層的電導率達到2.7 X 15 S/m時，該電場主要集中在相鄰兩個超材料單元結構上下邊緣之間，并在上下邊緣和底層材料之間形成電流回路，表現為超材料單元結構之間的LC諧振特征;在某一頻率處的電場主要分布在超材料單元結構的開口縫隙處，電流在四個扇形的圓弧段內形成回路，表現為超材料單元結構內部的LC諧振特征；從而在頻率1.71THz和3.SlTHz位置處或附近位置出現明顯的吸收峰特性，兩個吸收峰疊加形成寬頻吸收帶，吸收率峰值可達到99.99%，吸收器吸收率在90%以上的頻帶寬度可達2.1THz，因而在采用三層結構堆疊的情況下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的頻帶寬度，且只需采用現有的三層結構堆疊的工藝制備即可，無需采用其它工序復雜、工藝難度高、制備成本高的方式里實現太赫茲吸收頻帶展寬的目的，促進寬頻帶太赫茲超材料吸收器在實際中的應用以及提高其應用效率，從而制備工藝易于實現，制備成本降低。
[0016]2、本發明中，上層圖形化功能材料層的材料為金屬相二氧化釩或石墨，當二氧化釩薄膜電導率達到2.7X 15 S/m時，二氧化釩薄膜完成半導體-金屬相變成為金屬相，相變過程中二氧化釩薄膜的電導率能夠發生四個數量級的突變，由?10S/m變化到?15 S/m，二氧化釩薄膜在相變過程引起了吸收器的阻抗發生變化，當特定頻率的吸收器阻抗與自由空間阻抗達到匹配時，該頻率的太赫茲波最大限度地進入到吸收器內壁，與吸收器產生諧振，使吸收器對太赫茲波的吸收損耗達到最大；當電導率變為2.7 X 15 S/m時，1.71THz和3.SlTHz寬頻段范圍內，吸收器阻抗與與自由空間阻抗達到良好匹配，相應的太赫茲波吸收率高，反射率低，且在頻率1.71THz和3.81THz處吸收器對太赫茲波的吸收率能達到99.9%，吸收效率超過97%的頻率帶寬約為1.54THz，相對于半導體調制幅度增大了90%;若用金取代二氧化釩，結構不變，吸收器對太赫茲波的吸收強度大大減小，這與以往大多數圖形化金膜超材料產生的強吸收效果顯著不同，因而電導率相對較低的二氧化釩等功能材料更適合于該結構的吸收，大大拓寬了吸收器對圖形化材料的選擇面，促進二氧化釩等電導率相對較低的功能材料的應用與發展。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的超材料單元結構的陣列示意圖；
圖2為本發明的超材料單元結構的結構示意圖；
圖3為本發明的超材料單元結構的主視圖；
圖4為本發明中上層圖形化功能材料層的材料選用金屬相二氧化釩時的數值仿真吸收率圖；
圖5為實施例一中頻率在1.7ITHz處超材料單元結構的電場分布；
圖6為實施例一中頻率在1.7ITHz處超材料單元結構的XY面的電流密度分布；
圖7為實施例一中頻率在1.7ITHz處超材料單元結構的ZY面的電流密度分布；
從圖5、6、7可看出，該電場主要集中在相鄰兩個超材料單元結構上下邊緣之間，且上下邊緣與底層材料之間形成電流回路，表現為超材料單元結構之間的LC諧振特征；
圖8為實施例一中頻率在3.8 ITHz處超材料單元結構的電場分布；
圖9為實施例一中頻率在3.8 ITHz處超材料單元結構的XY面的電流密度分布；
從圖8、9可以看出，該電場主要分布在超材料單元結構的開口縫隙處，電流在四個扇形的圓弧段內形成回路，表現為超材料單元結構內部的LC諧振特征；
圖10為實施例一中在不同平行開口寬度d值情況下吸收器的太赫茲波吸收譜；
從圖10可見，開口寬度d的減小使得等效電容C增大，并導致諧振頻率減小，吸收帶寬縮窄；
圖11為實施例一中在不同晶格周期a值情況下吸收器的太赫茲波吸收譜； 從圖11可以看出，隨著超材料單元結構晶格周期的增大，低頻處的諧振頻率逐漸右移，高頻處的諧振頻率變化較小，這主要是因為超材料單元結構晶格周期的增大使得相鄰兩個超材料單元結構之間的等效電容變小，超材料單元結構之間的LC諧振頻率增大，使得吸收率帶寬縮窄；
圖12為本發明中上層圖形化功能材料層的材料選用石墨時的數值仿真吸收率圖；
其中，附圖標記為:I一上層圖形化功能材料層、2—中間介質層、3—下層金屬反射層、11一圓弧段、12—十字臂、13—平行開口、14一連接臂。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。
[0019]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0020]—種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，該吸收器包括上層圖形化功能材料層1、中間介質層2和下層金屬反射層3，其中中間介質層2位于上層圖形化功能材料層1、下層金屬反射層3之間。
[0021]該上層圖形化功能材料層I是由若干的超材料單元結構陣列排列而成的，且超材料單元結構陣列的晶格周期a為1um至lOOum。該超材料單元結構為一種特殊的單元結構，超材料單元結構包括圓環結構和十字臂12，該十字臂12位于圓環結構形成“θ”型結構。該圓環結構上還開設有四組平行開口 13，四組平行開口 13均勻地沿圓環結構的周向分布，且每組平行開口 13的兩側面均相互平行；四組平行開口 13將圓環結構分割為四組扇形結構的圓弧段U。該十字臂12包括四條連接臂14，四條連接臂14以相互夾角90°的方式周向設置，且四條連接臂14均連接于同一點形成十字形結構的十字臂12。該四條連接臂14的連接點與圓環結構的圓心重疊，每一條連接臂14的另一端與對應位置處的圓弧段11的中部位置連接，因而四條連接臂14與四組圓弧段11一一對應連接。每個超材料單元結構的線寬m為0.5um至10um，每條連接臂14的臂長1為311111至50111]1，每個平行開口 13的寬度d為0.5um至50umo
[0022]該上層圖形化功能材料層I的厚度為0.05um至20um，且上層圖形化功能材料層I的材料不局限于金、銀、銅或鋁等高電導率金屬，只需該上層圖形化功能材料層I的電導率大于103S/m即可。作為優選，上層圖形化功能材料層I的材料為金屬相二氧化釩或石墨。
[0023]該中間介質層2的厚度h為0.1um至20um，且中間介質層2的介電常數大于2的電介質。作為優選，中間介質層2的材料為二氧化硅或聚酰亞胺。
[0024]該下層金屬反射層3為由高電導率的金屬材料制成的連續金屬薄膜，且下層金屬反射層3的厚度為0.05um至lum。作為優選，該高電導率的金屬材料為金、銀、銅或鋁。
[0025]為了獲得對太赫茲波的最大吸收，通過設計和優化超材料單元結構的結構、尺寸等參數，在特定頻段處使得超材料的阻抗與自由空間的阻抗相匹配，此時入射電磁波在超材料表面的反射率極小，若此時底層鍍一層足夠厚的金屬薄膜，使透射率變為O，那么太赫茲波將最大限度地進入到吸收器內部被吸收損耗。為了使太赫茲波透射率為0，將下層金屬反射層3的厚度設計為大于太赫茲波的對于下層金屬反射層3的趨膚深度δ_，δ_的計算公式為:δ_=ΟυΤΗζ.σ^ι)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫茲波頻率，■為金屬磁導率，為金屬電導率。
[0026]實施例1
一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，該吸收器包括上層圖形化功能材料層1、中間介質層2和下層金屬反射層3。其中上層圖形化功能材料層I采用金屬相二氧化釩作為材料，上層圖形化功能材料層I電導率為2.7Χ 15 S/m，上層圖形化功能材料層I的厚度為0.3um。上層圖形化功能材料層I的超材料單元結構的幾何尺寸為:連接臂14的臂長X為7.5um，超材料單元結構的線寬m為3um，平行開口 13的寬度d為5um ；超材料單元結構陣列的晶格周期a為29um。中間介質層2采用厚度h為13um的聚酰亞胺;下層金屬反射層3采用電導率為4.5 X 107S/m、厚度為0.3um(0.1THz的趨膚深度為0.23um)的連續金膜。
[0027]將該實施例中的吸收器結構經商業軟件CST Microwave Stud1 2014頻域求解器對其太赫茲波的吸收率進行仿真計算，太赫茲波垂直入射超材料吸收器表面，相互垂直的磁場和電場偏振方向與陣列單元中十字垂直方向平行。吸收率計算公式為4=l_|Sn I [IS21
2，其中|Sn I為反射系數的模值，IS211為透射系數的模值，由于下層金屬反射層3厚度大于0.1THz對應的趨膚深度，因此S21可以忽略不計，吸收率計算公式可以簡化為4=1-1Sn 12。仿真計算得到的吸收譜如圖4所示，結果表明該超材料吸收器的吸收率峰值達到99.99%@1.95THz，在1.71THz至3.81THz范圍內的吸收率大于90%，對應的頻帶寬度達到2.1THz。
[0028]實施例2
本實施例的仿真計算條件與實施例1的大致相同，不同之處在于:將上層圖形化功能材料層I采用石墨作為材料，其電導率為I X 15 S/m，超材料單元結構的平行開口 13的寬度d為9um，超材料單元結構陣列的晶格周期a為27um。
[0029]將該實施例中的吸收器結構經商業軟件CST Microwave Stud1 2014頻域求解器對其太赫茲波的吸收率進行仿真計算，太赫茲波垂直入射超材料吸收器表面，相互垂直的磁場和電場偏振方向與陣列單元中十字垂直方向平行。仿真計算得到的吸收譜如圖12所示，該超材料吸收器的吸收率峰值達到99.99%i2.73THz，在2.0ITHz至3.72THz范圍內的吸收率大于90%，對應的頻帶寬度達到1.71THz。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:包括依次設置的上層圖形化功能材料層(1)、中間介質層(2)和下層金屬反射層(3);所述上層圖形化功能材料層(I)由超材料單元結構排列而成，所述超材料單元結構包括圓環結構，所述圓環結構上沿圓環結構的周向均勻開設有4個平行開口(13)，所述圓環結構內設置有十字臂(12)，所述十字臂(12)的四條連接臂(14)一一對應與圓環結構的四組圓弧段(11)的中部連接;所述超材料單元結構陣列的晶格周期a為1um至I OOum，每個超材料單元結構的線寬m為0.5um至1um，所述連接臂(14)的臂長X為3um至50um，所述平行開口(13)的寬度d為0.5um至50um。2.如權利要求1所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述上層圖形化功能材料層(I)的厚度為0.05um至20um，且上層圖形化功能材料層(I)的電導率大于103S/m。3.如權利要求2所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述上層圖形化功能材料層(I)的材料為金屬相二氧化釩或石墨。4.如權利要求1所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述中間介質層(2)的厚度為0.1um至20um，且中間介質層(2)的介電常數大于2的電介質。5.如權利要求4所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述中間介質層(2)的材料為二氧化硅或聚酰亞胺。6.如權利要求1所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述下層金屬反射層(3)為由高電導率的金屬材料制成的連續金屬薄膜，所述下層金屬反射層(3)的厚度為0.05um至Ium07.如權利要求6所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述下層金屬反射層(3)的厚度大于太赫茲波的對于下層金屬反射層(3)的趨膚深度δ_，的計算公式為:δ_=ΟυΤΗζ.σ:^)-1/2，其中，υΤΗζ*太赫茲波頻率，■為金屬磁導率，(??為金屬電導率。8.如權利要求6或7所述的一種基于多諧振吸收疊加的寬頻帶太赫茲超材料吸收器，其特征在于:所述高電導率的金屬材料為金、銀、銅或鋁。
【文檔編號】H01Q17/00GK105896098SQ201610258722
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】羅振飛, 周遜, 孔維鵬, 陳晨, 王度
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心