CN101694558A - 一种用于太赫兹波调制的超材料结构 - Google Patents

一种用于太赫兹波调制的超材料结构 Download PDF

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本发明涉及一种用于太赫兹波调制的超材料结构。包括：中心介质层，由对太赫兹波透明的聚乙烯材料构成，中心介质层的厚度小于入射的太赫兹波的十分之一波长；上表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层上表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度；下表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层下表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度；所述上、下表面光栅层的栅格呈镜像对称分布。本发明的有益效果是：由于表面等离子体波始终在增强太赫兹波的透射，因而拓宽了调制器对太赫兹波的调制范围。

Description

一种用于太赫兹波调制的超材料结构
技术领域
本发明属于超材料技术领域，特别涉及用于太赫兹波调制的超材料结构。
背景技术
太赫兹波通常定义为频率在0.1~10THz范围内的的相干电磁辐射。太赫兹对应的英文是teraherta，缩写THz，1THz＝1012Hz(赫兹)，振荡周期为1ps(皮秒)，波长30μm(微米)，光子的能量是4.1meV(毫电子伏)。目前研究较多的太赫兹波的通常在0.3~3THz范围内，其波段位于微波和红外线之间，属于远红外线和亚毫米波范畴，有时也称为T射线，其显著的特点为：1.瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效的抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比高，稳定性好。2.宽带性：太赫兹波源通常只包含若干个周期的电磁振荡脉冲，单个脉冲的频宽可以覆盖从GHz至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。3.相干性：源于其产生机制，是由相干电流驱动的偶机子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学效应(差频)产生，太赫兹相干测量技术能够直接测量出电场的振幅和相位，可以方便的提取样品的折射率、吸收系数。4.低能性：太赫兹波的光子的能量只有几个毫电子伏，与X射线相比，不会因为高能电子流而破坏被检测的物质，可以用作无损检测。5.太赫兹辐射对于很多非极性物质，如电解质材料与塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力，可以用来质检或安检。6.大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有极强的吸收，可以通过分析它们的特征谱来研究物质成分或者进行产品质量控制；同时许多极性分子的振动能级和转动能级正好处于太赫兹波段，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。
太赫兹波技术的研究主要包括辐射源、传输和探测器三个方面，太赫兹波技术的实际应用在很大程度上需要在上述方面的都取得突破。太赫兹波的传输过程中，为了达到使用目的，需要调制器对太赫兹波进行调制，控制太赫兹波的振幅和相位。调制器的主要部件是人工合成的超材料，利用超材料的材料结构特性可以实现其调制目的。现有的调制器主要包括以下两种类型：1.低温半导体量子阱调制器：低温半导体量子阱调制器是利用电子的带间跃迁而实现对太赫兹波相位的调制。该调制器的超材料采用宽量子阱材料(如AIGaAs/GaAs)，该材料是通过在其表面制作金属光栅，利用金属和半导体异质结之间为肖特基接触，形成肖特基光栅，在太赫兹波照射下形成一个调制载流子参杂浓度的量子阱结构，这种材料结构具有抛物型的导带，利用电压控制载流子的浓度实现相位的调制，但该装置只能在150K的低温下进行，给实验的操作带来很多的困难。2.固态超材料相位调制器：固态超材料相位调制器是在室温下使用的固态相位和振幅调制器，实验结果显示出宽带调制的性能。该调制器的超材料是在n型参杂的GaAs衬底上制作金属扣环谐振腔，将金属扣环谐振器用导线连接起来，构成一个周期性扣环谐振阵列，金属扣环与半导体直接形成肖特基结构，利用外电压控制耗尽层中的载流子浓度，控制载流子的谐振，以达到调制振幅和相位的效果，振幅和相位调制随外加电压变化，克服了以往机械调制器和开关的缺点。但扣环本身的谐振吸收非常明显，仍然不能满足太赫兹宽带的调制。上述方法由于调制器所采用的超材料的材料结构特性的限制，导致调制范围小，使用环境要求高，不利于太赫兹波技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了拓宽调制器对太赫兹波的调制范围，提供了一种用于太赫兹波调制的超材料结构。
本发明所采用的技术方案是：一种用于太赫兹波调制的超材料结构，包括：中心介质层，由对太赫兹波透明的聚乙烯材料构成，中心介质层的厚度小于入射的太赫兹波的十分之一波长；上表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层上表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度；下表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层下表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度；所述上、下表面光栅层的栅格呈镜像对称分布。
上述上、下表面光栅层的金属材料为铜，每条栅格的厚度均小于或等于宽度的四分之一。
本发明的有益效果是：当太赫兹波入射到上述超材料表面后，部分光会被超材料反射，部分光会透射过超材料，并且会在在上、下表面光栅层和中心介质层的交界面会激发产生表面等离子体波，由于表面等离子体波和入射的太赫兹波均具有方向性，利用入射的太赫兹波与表面等离子体波的方向耦合特性，通过入射的太赫兹波的电场方向与光栅的晶格矢量方向的夹角来调制太赫兹波的振幅和相位变化。当入射的太赫兹波的电场方向与光栅的晶格矢量方向的夹角为零度时，表面等离子体波最大化增强太赫兹波的透射能力，透射过的太赫兹波强度衰减最小；当夹角为九十度时，表面等离子体波最小化增强太赫兹波的透射能力，透射过的太赫兹波强度衰减最大。由于表面等离子体波始终在增强太赫兹波的透射，因而拓宽了调制器对太赫兹波的调制范围。同时，由于本发明的超材料可以在常温下保持材料特性，对使用环境要求低。另外，上述超材料结构简单，可以在平面范围内做任意大小的扩展。由于这些优点，本发明所述的超材料结构有利于太赫兹波技术的推广应用。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的俯视方向的结构示意图。
图3是利用本发明调制入射的太赫兹波的工作原理示意图。
图4是入射的太赫兹波的电场方向与晶格矢量方向的夹角为零度时的工作原理示意图。
图5是入射的太赫兹波的电场方向与晶格矢量方向的夹角为九十度时的工作原理示意图。
图6是本发明透射后的太赫兹波频率和振幅之间的变化趋势效果图。
图7是本发明透射后的太赫兹波的相位随入射的太赫兹波的电场方向与晶格矢量方向的夹角的变化趋势效果图。
附图标记说明：中心介质层1、上表面光栅层2、下表面光栅层3、入射的太赫兹波4、透射中的太赫兹波5、反射后的太赫兹波6、透射过的太赫兹波7、表面等离子体波8。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种用于太赫兹波调制的超材料结构，包括：中心介质层1，由对太赫兹波透明的聚乙烯材料构成，其厚度2t小于入射的太赫兹波的十分之一波长，由于聚乙烯材料为绝缘体，所以其介电常数在太赫兹波段为正值。上表面光栅层2，采用金属材料，由位于中心介质层1上表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，周期长度为d，每条栅格的厚度h均小于宽度a。下表面光栅层3，采用金属材料，由位于中心介质层1下表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，周期长度为d，每条栅格的厚度h均小于宽度a，；上、下表面光栅层2、3的栅格呈镜像对称分布，由于金属材料为良导体，所以其介电常数在太赫兹波段为负值。上述超材料的栅格呈周期性排列的方向被称为晶格矢量方向R，该方向与栅格的长度方向垂直。
上述上、下表面光栅层的金属材料采用铜，每条栅格的厚度h均小于或等于宽度a的四分之一。上述上、下表面光栅层2、3的金属材料还可采用金或其它金属，每条栅格的最佳厚度根据金属的电导率而发生变化。
下面在结合附图3说明本发明的工作原理，首先为超材料设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，X轴与栅格的长度方向平行，Z轴垂直于超材料的表面。当入射的太赫兹波4入射到上述超材料表面后，部分光会被超材料反射成为反射后的太赫兹波6，部分光会透射过超材料，由于上述超材料的中心介质层1和上、下表面光栅层2、3的介电常数相反，会在其交界面上激发表面等离子体波8，表面等离子体波8与透射中的太赫兹波5发生耦合，形成了光强度增强了的透射过的太赫兹波7。由于表面等离子体波8始终在增强入射的太赫兹波4的透射能力，减缓了透射过的太赫兹波7的强度衰减，因而拓宽了调制器对太赫兹波的调制范围。
如图4所示，当入射的太赫兹波4的磁场方向H与X轴方向相同，电场方向E与Y轴方向相同时，入射的太赫兹波4的电场方向E与晶格矢量方向R的夹角为零度。此时，表面等离子体波8最大化增强入射的太赫兹波的透射能力，透射过的太赫兹波强度衰减最小。
如图5所示，当入射的太赫兹波4的磁场方向H与X轴方向垂直，电场方向E与Y轴方向垂直，此时入射的太赫兹波的电场方向E与晶格矢量方向R的夹角为九十度。此时，表面等离子体波8最小化增强入射的太赫兹波的透射能力，透射过的太赫兹波强度衰减最大。
通过改变入射的太赫兹波4的电场方向E与晶格矢量方向R的夹角的大小，就可以实现对透射过的太赫兹波7的光强度的调制，从而实现对太赫兹波的振幅和相位的调制。如图6所示，图中，水平轴Frenquency(THz)代表透射后的太赫兹波的频率，垂直轴Normalized amplitude代表透射后的太赫兹波的振幅，象限空间内的每一条曲线代表某一角度下透射后的太赫兹波频率和振幅之间的变化趋势。由图中可知，透射后的太赫兹波的振幅随电场方向E与晶格矢量方向R的夹角的变化，随着夹角的减小，透射后的太赫兹波的透射强度逐渐增大，并且表现为高通宽带的传输特性，能有效的实现太赫兹振幅的宽带连续调制。
如图7所示，图中，水平轴theta(degree)代表入射的太赫兹波4的电场方向E与晶格矢量方向R的夹角大小，垂直轴phase(rad)代表透射后的太赫兹波的相位，象限空间内的每一条曲线代表某一太赫兹波频率下透射后的太赫兹波相位和太赫兹波4的电场方向E与晶格矢量方向R的夹角之间的变化趋势。由图中可知，相位和交角之间呈洛伦兹(Lorentz)函数分布。可以在洛伦兹(Lorentz)函数峰值最大时进行最大的相位调制，如对于1.0THz的太赫兹波其洛伦兹(Lorentz)函数峰值最大的角度为70度，因而在此处进行调制可以获得最大的相位变化。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于太赫兹波调制的超材料结构，其特征在于，包括：中心介质层，由对太赫兹波透明的聚乙烯材料构成，中心介质层的厚度小于入射的太赫兹波的十分之一波长；上表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层上表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度。下表面光栅层，采用金属材料，由位于中心介质层下表面的一系列呈周期性分布的平行栅格构成，每个栅格与两边的栅格空隙构成一个周期，每条栅格的厚度均小于宽度；所述上、下表面光栅层的栅格呈镜像对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹波调制的超材料结构，其特征在于，所述上、下表面光栅层的金属材料为铜，每条栅格的厚度均小于或等于宽度的四分之一。
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