CN102692732A - 基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件。包括介质层和双层人工电磁材料层；所述的介质层位于双层人工电磁材料层之间，介质层是单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级；所述的双层人工电磁材料层位于介质层两侧的表面，双层人工电磁材料层均由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，其膜层厚度为200纳米以上；所述人工电磁材料层的基本单元为一定宽度的直线型、L型或者连续U型的金属结构。本发明的太赫兹波非对称传输器件具有强的线偏振转换二向色性，双层手性结构实现了太赫兹线偏振波转换的非对称传输。可实现太赫兹波隔离器或太赫兹波二极管，对太赫兹人工电磁材料功能器件的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电磁波的传输控制器件，尤其是太赫兹波段线偏振转换的非对称传输控制器件。
背景技术
太赫兹（THz）波一般是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波，其波段位于微波与红外波之间，有着重要的学术和应用研究价值。长期以来，科研人员一直在寻求可以控制太赫兹波传输的器件。然而常规材料难于在太赫兹波段实现电磁响应，特别是磁响应，使得人们在研制太赫兹器件，实现对太赫兹波的探测和操纵时面临很多限制。人工电磁材料（Metamaterials）的出现恰好弥补了这一缺憾。近几年，基于人工电磁材料的太赫兹开关、调制器、移相器、传感器、探测器、滤波器、吸波器等陆续出现，显示出人工电磁材料在太赫兹科学和技术发展中巨大的应用潜力。
人工电磁材料是亚波长量级的结构单元按一定规律排列所构成的材料，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。2006年，N.Zheludev等人在平面手性人工电磁材料研究中发现了一个新的、重要的电磁学效应-圆转换二向色性，导致了宏观的非对称传输现象。各向异性的平面手性人工电磁材料中的圆偏振光非对称传输依次在微波段、太赫兹波段和光波段得到了实验验证。理论仿真与微波段的实验结果显示，当圆偏振光的非对称传输发生时，也将伴随着吸收和反射的非对称性。最近发现，圆转换二向色性不一定需要本征2维手性结构，通过控制人工电磁材料与入射波的相对方位形成外致2维手性关系，也可观察到圆转换二向色性。同济大学利用级联非线性手性原子实现了亚波长电磁“二极管”，观察到了微波的非对称传输现象，并研究了微波段超薄人工电磁材料波导的非对称传输现象，分析了层间倏逝波的耦合强度对非对称现象的影响。
非对称传输现象为太赫兹偏振波传输的方向调控提供了新的途径，对实现太赫兹隔离器、太赫兹二极管、太赫兹开关等超材料功能器件具有重大意义。人工电磁材料的非对称传输现象以来,相关研究受到了广泛关注。目前这方面研究多局限于圆偏振，未见太赫兹线偏振波转换的非对称传输的相关研究，尚没有任何一个基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件的提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于制备、价格低廉，能有效地实现太赫兹线偏振转换的单向传输的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件。
本发明的目的是这样实现的：
包括介质层和双层人工电磁材料层；所述的介质层位于双层人工电磁材料层之间，介质层是单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级；所述的双层人工电磁材料层位于介质层两侧的表面，双层人工电磁材料层均由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，其膜层厚度为200纳米以上；所述人工电磁材料层的基本单元为一定宽度的直线型、L型或者连续U型的金属结构。
本发明还可以包括：
1、所述金属结构采用金材料。
2、双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状相同。
3、双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状不相同。
4、双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状均为连续U型，两层中连续U型人工电磁材料基本单元结构尺寸相同，结构单元之间的旋转角为90度。
5、双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状一层为直线型，另一层为L型，L形金属薄膜的两边长不相等，L形金属条与直线金属条宽度相等。
人工电磁材料基本单元的周期为ρ，金属结构的线宽为w，介质层厚度为t，器件工作在太赫兹波段。
本发明提供了一种基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，利用双层手性人工电磁材料实现太赫兹线偏振波转换的非对称传输。该太赫兹波非对称传输器件具有结构简单、易于制备、价格低廉等特点，太赫兹线偏振波转换的非对称传输现象显著，有效地实现太赫兹线偏振转换的单向传输。
本发明所提出的太赫兹波非对称传输器件具有强的线偏振转换二向色性，双层手性结构实现了太赫兹线偏振波转换的非对称传输。该器件将可实现太赫兹波隔离器或太赫兹波二极管，对太赫兹人工电磁材料功能器件的发展具有重要意义。
附图说明
图1（a）是本发明的第一种实施方式的立体结构示意图，图1（b）是本发明的第一种实施方式的正面及其基本结构参数。
图2（a）-图2（b）是本发明的第一种实施方式的工作原理示意图。
图3（a）是本发明的第二种实施方式的立体结构示意图，图3（b）是本发明的第二种实施方式的正面及其基本结构参数，图3（c）是本发明的第二种实施方式的反面及其基本结构参数。
图4（a）-图4（b）是本发明的第二种实施方式的工作原理示意图。
图5是本发明的第一种实施方式的透射
曲线。
图6是本发明的第二种实施方式的透射（TXX，TXY，
）曲线。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
本发明的第一种实施方式如图1所示，太赫兹波非对称传输器件S-1，包括介质层1和双人工电磁材料层2、3；介质层位于双人工电磁材料层之间，采用有机高分子聚合物介质材料，宽度ρ＝75μm；双人工电磁材料层位于介质层两侧的表面，每层由周期性排列的连续U型人工电磁材料基本单元构成，其中r1＝15.75μm，r2＝22.75μm，a＝24μm，w＝7μm，人工电磁材料采用金材料，其膜层厚度为200纳米以上。
下面再结合附图2进一步说明实施方案，首先为非对称传输器S-1设置一个XYZ坐标系，X轴与晶格单元的长度方向平行，Z轴垂直于非对称传输器的表面。如图2（a）所示，X方向偏振的线偏振光4沿Z轴正向垂直入射到上述非对称传输器表面后，透射光为5。再令其沿Z轴负向垂直入射到上述非对称传输器表面，透射光为6，如图2（b）.分别计算其透射率
（透射波振幅/入射波振幅），下标i、j分别代表入射光和透射光的偏振态，上标d代表入射光的波矢方向，沿Z轴正向则为+，Z轴负向则为-。太赫兹波非对称传输器S-1的透射幅值 
曲线如图5所示。图中可以看出，在2.5THz至3.5THz之间，
与
有着显著的差异，线偏振波表现出正向与反向传输之间的非对称性，
本发明的第二种实施方式如图3所示，太赫兹波非对称传输器件S-2，包括介质层7和双人工电磁材料层8、9；介质层位于双人工电磁材料层之间，采用有机高分子聚合物介质材料，宽度ρ＝75μm；双人工电磁材料层分别为L型人工电磁材料层8和线型人工电磁材料层9，其中l1＝50μm，l2＝25μm，l3＝60μm，w＝10μm。人工电磁材料采用金材料，其膜层厚度为200纳米以上。
下面再结合附图4进一步说明实施方案，首先为非对称传输器S-2设置一个XYZ坐标系，X轴与晶格单元的长度方向平行，Z轴垂直于非对称传输器的表面。如图4（a）所示，线偏振光4沿Z轴正向垂直入射到上述非对称传输器表面后，透射光为10。再令其沿Z轴负向垂直入射到上述非对称传输器表面，透射光为11，如图4（b）所示。分别计算其透射率
（透射波振幅/入射波振幅），下标i、j分别代表入射光和透射光的偏振态，上标d代表入射光的波矢方向，沿Z轴正向为+，Z轴负向则为-。太赫兹波非对称传输器件S-2的透射幅值TXX，TXY，
曲线如图6所示。图中可以看出在1.5THz-3THz之间，
和
有着明显的差异，线偏振波表现出正向与反向传输之间的非对称性。特别是当入射线偏波频率在2.3THz处，TXX和TYY都比较小，该方案可实现高性能太赫兹线偏振转换的非对称传输器件。
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 (6)
1.一种基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，包括介质层和双层人工电磁材料层；其特征在于：所述的介质层位于双层人工电磁材料层之间，介质层是单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级；所述的双层人工电磁材料层位于介质层两侧的表面，双层人工电磁材料层均由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，其膜层厚度为200纳米以上；所述人工电磁材料层的基本单元为一定宽度的直线型、L型或者连续U型的金属结构。
2.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，其特征是：所述金属结构采用金材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，其特征是：双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状相同。
4.根据权利要求1或2所述的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，其特征是：双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状不相同。
5.根据权利要求3所述的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，其特征是：双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状均为连续U型，两层中连续U型人工电磁材料基本单元结构尺寸相同，结构单元之间的旋转角为90度。
6.根据权利要求4所述的基于人工电磁材料的太赫兹波非对称传输器件，其特征是：双层人工电磁材料层的基本单元的金属结构形状一层为直线型，另一层为L型，L形金属薄膜的两边长不相等，L形金属条与直线金属条宽度相等。
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Granted publication date: 20140806 Termination date: 20200524 |
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