CN103033271B - 一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其包括吸波超材料及温度检测装置；该吸波超材料包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有多个人造微结构，太赫兹波通过该吸波超材料时被该吸波超材料吸收太赫兹波并使得该吸波超材料温度发生变化；该温度检测装置包括平面光波导温度传感器及数据处理单元，该平面光波导温度传感器用于检测吸波超材料温度，该数据处理单元用于根据吸波超材料温度的变化得出该太赫兹波功率。本发明具有检测灵敏度高、尺寸小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

Description

一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计

技术领域

本发明涉及一种检测太赫兹波的装置，尤其涉及一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计。

背景技术

太赫兹(THz)波是频率在0.1THz到101THz范围的电磁波，波长大概在30μm到3mm范围，介于微波与红外线波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。由于受到有太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，涉及太赫兹波段的研究进展较缓慢，因此这一波段也被称为太赫兹间隙。

与其它波段的电磁波相比，太赫兹波辐射源具有想干性好、光子能量低、穿透力强等独特优异的特性，所以在物理、化学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、环境监测、食品检查、卫星通信等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。因此，研究和开发太赫兹技术及相关太赫兹器件无论对基础科学研究还是市场开发应用都有着十分重要的意义。

目前太赫兹波光源、传输和检测技术不成熟。太赫兹波探测方面由于其光子量较低，背景噪声较大，给太赫兹探测带来诸多技术上的难题。现有的检测太赫兹波的装置是利用太赫兹探测器将太赫兹波信号转换为电信号，对输出电信号滤波放大后再进行测试，太赫兹信号仍然是在太赫兹波段进行检测。然而，上述现有的通过放大电信号来检测太赫兹波的装置，其检测灵敏度低、体积大、结构复杂、不能集成在一起及容易受电磁干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其检测灵敏度高、尺寸小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其包括吸波超材料及温度检测装置；该吸波超材料包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有多个人造微结构，太赫兹波通过该吸波超材料时被该吸波超材料吸收并使得该吸波超材料温度发生变化；该温度检测装置包括平面光波导温度传感器及数据处理单元，该平面光波导温度传感器用于检测吸波超材料温度，该数据处理单元用于根据吸波超材料温度的变化得出该电磁波功率。

进一步地，所述平面光波导温度传感器为平面光波导马赫-曾德尔干涉仪。

进一步地，所述平面光波导马赫-曾德尔干涉仪包括：

激光器，用以发出激光束；

第一耦合器，用以将该激光束分离为第一激光束和第二激光束

第一平面光波导臂和第二平面光波导臂，为高分子材料光波导，用以分别接收并传输该第一激光束和该第二激光束；当该第一平面光波导臂和/或该第二平面光波导臂温度发生变化时，该第一激光束和/或该第二激光束相位相应发生变化；

第二耦合器，用以接收相位发生变化的该第一激光束和该第二激光束、将该相位变化转化为光功率变化并输出该光功率变化信息；

探测器，用以接收从该第二耦合器输出的该光功率变化信息并将该光功率变化信息输出至该数据处理单元；

其中，该第一平面光波导臂和该第二平面光波导臂两者之一集成于该吸波超材料中。

进一步地，该第一耦合器或/和第二耦合器为硅基二氧化硅平面光波导结构。

进一步地，该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造微结构一一对应的第二人造微结构；该第一人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

进一步地，该人造微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。

进一步地，该基材为片状基材，该吸波超材料由附着有多个该人造微结构的该片状基材叠加而成。

进一步地，该基材由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，多个该人造微结构为周期排列，并通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。

进一步地，所述平面光波导温度传感器可为由微环谐振腔制作的温度传感器。

综上所述，本发明通过将吸波超材料与温度检测装置结合起来，温度检测装置能精确、及时地测量吸波超材料将太赫兹波能量转化为热能所产生的温度变化，从而精确测量电磁波的功率，具有其检测灵敏度高、尺寸小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计吸波超材料第一实施方式立体结构示意图；

图2、图3分别为图1所示吸波超材料的第一人造微结构和第二人造微结构的拓扑结构示意图；

图4为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计吸波超材料第二实施方式立体结构示意图；

图5为图4所示吸波超材料人造微结构拓扑结构示意图；

图6为图5所示人造微结构分别响应电场和磁场的分解原理图；

图7为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计结构示意图；

图8为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计采用平面光波导马赫-曾德尔干涉仪的结构示意图。

具体实施方式

吸波材料是指能够将入射的电磁波能量转换为热能或其它形式的能量而耗散掉的一种材料。吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换并耗散掉，该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指从自由空间入射到吸波材料表面的电磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配特性时应使得从自由空间入射的电磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即电磁波全部进入理想吸波材料内部。由于自由空间阻抗Z＝1，根据公式可知，当该吸波材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等时即可达到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数ε＝ε’-jε”，相对磁导率μ＝μ’-jμ”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的现象，损耗大小可用电损耗因子tanδ_e＝ε”/ε’和磁损耗因子tanδ_m＝μ”/μ’来表征。

吸波材料吸收电磁波能量所产生的热能能改变材料自身的温度。吸波材料吸收电磁波时产生的热能大小由电磁波的功率所决定，其与电磁波的频率无关。因此在根据所要吸收电磁波的频率确定吸波材料整体的结构以后即能利用该吸波材料测定该电磁波的功率。

目前常用的传统吸波材料有铁氧体、导电高聚物材料、碳纤维材料、炭黑等。此类传统吸波材料主要是利用不同物质的混合配比达到吸收一定频段电磁波的目的，此类传统吸波材料就需要针对不同频率的电磁波进行配比和实验，需要耗费极大的时间和成本。

超材料是由具有一定图案形状的人造微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。根据设计需要，超材料需要实现吸波功能。而改变人造微结构的图案和排布方式也可改变吸波超材料所能吸收电磁波的频率。人造微结构的图案和排布方式所对应的电磁波频率可由计算机仿真得到，省去了传统吸波材料为适应电磁波频率的改变而需要配比不同物质的时间成本和人力成本，且超材料整体均采用常规材料制成、成本低廉。

下面结合附图详细描述两种具有良好吸波性能和电磁参数调节方便、成本低廉的吸波超材料实施方式。

如图1、图2、图3所示，图1为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计吸波超材料第一实施方式立体结构示意图，吸波超材料1包括具有两相对侧表面的基材10与周期附着于基材10两相对侧表面的第一人造微结构100和第二人造微结构200。所谓周期排列是指每一人造微结构所占据的基材表面空间尺寸应为所需响应电磁波波长的五分之一至十分之一。图1仅示出吸波超材料的一片层立体结构，整个吸波超材料由多个片层叠加而成。而采用此类方法构成吸波超材料可方便的调节人造微结构拓扑图案和尺寸，降低工艺难度。在基材表面上附着人造微结构的制造工艺有多种，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等，其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到周期阵列排布的人造微结构。上述金属箔片的材质可以是铜、银等硬质金属。

当基材表面未附着人造微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数ε1和初始相对磁导率μl；当基材表面附着有人造微结构后，人造微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材和人造微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造微结构尺寸的变化而变化，即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造微结构尺寸的变化而变化。

本发明的基材采用对电磁波损耗大的各类常见材料，例如高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等，其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。

图2和图3为图1所示吸波超材料基材两相对侧表面附着的不同的两种人造微结构拓扑图案。基材一侧表面的第一人造微结构100包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基材另一侧表面的第二人造微结构200包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口2011的四边形状。该两个人造微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一人造微结构100的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造微结构200由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。

当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波该超材料时，第一人造金属微结构100的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式可知，其中ε为超材料相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，超材料的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二人造金属微结构20的第三金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响超材料的相对磁导率μ。分别调节第一人造金属微结构100和第二人造金属微结构200的金属分支的尺寸和间隔即可调节人造金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ。

当人造金属微结构的尺寸使得入射的太赫兹波通过超材料时，超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ基本相等时即满足本发明阻抗匹配的设计要求。所谓基本相等是指相对介电常数ε和相对磁导率μ只存在不影响阻抗匹配效果的误差。同时，为了达到优良的吸波性能还需要继续调整人造金属微结构的尺寸使超材料对入射电磁波有最大的能量损耗。能量损耗主要是通过电损耗因子tanδe和磁损耗因子tanδm来表征，不同的基材对应不同的主要损耗因子，例如铁电材料主要为电损耗因子、铁磁材料主要为磁损耗因子，而铁氧材料则两者皆有。人造金属微结构对超材料整体衰减特性的影响是通过改善基材的衰减特性即提高超材料整体的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部从而提高超材料整体的衰减特性。可以理解的，调整人造金属微结构的尺寸使超材料满足相对介电常数ε和相对磁导率μ基本相等以及改善基材衰减特性的过程是交互的，并非调整完一个条件以后再在原有基础上调整第二个条件。

图4为本发明一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计吸波超材料第二实施方式立体结构示意图。图5为图4所示吸波超材料基材上附着的人造微结构拓扑图案。第二实施方式与第一实施方式的不同点在于基材上附着的人造微结构不同。吸波超材料1包括基材10与周期附着于基材10上的人造微结构300。人造微结构300包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。人造微结构30附着于基材两相对侧表面其中之一表面上，优选地，为了取得更好的吸波效果在基材两相对侧表面上均附着有人造微结构300且两相对侧表面的人造微结构成镜像对称，更优选地，每一侧表面的人造微结构300以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。

本较佳实施例中人造金属微结构300相当于结合了第一较佳实施例中的第一人造金属微结构100和第二人造金属微结构200，其对入射的太赫兹波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同，即相对的金属分支等效为电容元件从而调整超材料的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场，从而调整超材料的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现如图6所示，人造金属微结构300拆分为呈“工”字形的第一部分300’以及呈一边缺口的四边形状的第二部分300”，第一部分300’的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性元件，从而调整超材料的相对介电常数，第二部分300”的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整超材料的相对磁导率。同时，由于本较佳实施例对人造金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面人造金属微结构即可满足设计要求。

在根据所需检测的电磁波频段确定吸波超材料结构后，需设计温度检测装置。如图7所示，本发明基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计包括吸波超材料1以及温度检测装置2。温度检测装置2包括平面光波导温度传感器21和数据处理单元22。平面光波导温度传感器21用以检测吸波超材料温度变化，本发明中即用以检测吸波超材料吸收太赫兹波后所产生的温度变化。数据处理单元22根据该吸波超材料温度变化得出该电磁波功率。其中，平面光波导温度传感器21检测吸波超材料温度变化后可输出温度变化值或者经内部处理后根据该温度变化输出其他参数值，数据处理单元22接收该些参数值后根据预设的参数值变化与电磁波功率的对应关系得出电磁波功率。

所述平面光波导温度传感器21可为由微环谐振腔制作的温度传感器。由于平面光波导温度传感器21检测温度的精度直接影响检测电磁波功率的准确度，而平面光波导马赫-曾德尔干涉仪作为平面光波导温度传感器中性能优良的一种，具有灵敏度高、体积小、能耗少、不受电磁影响的优点，被用作本发明的较佳实施例。如图8所示，平面光波导马赫-曾德尔干涉仪包括激光器211、第一耦合器212、第二耦合器213、探测器214、第一平面光波导臂215、第二平面光波导臂216。当需要检测温度时，从激光器211发出一束激光束，激光束经过第一耦合器212后分别送入长度相同的第一平面光波导臂215和第二平面光波导臂216，为了使温度检测更为精确，可在吸波超材料1与所述平面光波导马赫-曾德尔干涉仪之间设置一层导热性能好的导热层，在本发明中其为将第一平面光波导臂215集成到吸波超材料1中。所述第一平面光波导臂215和第二平面光波导臂216可为铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、基于磷化铟(InP)的InGaAsP/InP光波导或聚合物(Polymer)光波导等，在本实施例中，所述第一平面光波导臂215和第二平面光波导臂216均为高分子材料光波导，所述高分子材料可为聚酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚氨基甲酸酯树脂，或其聚合物，因而热反应速率快，能精确、及时地感测吸波超材料将太赫兹波能量转化为热能所产生的温度变化。

当吸波超材料1吸收电磁波并散发热能使得第一平面光波导臂215的温度相对于第二平面光波导臂216发生变化时，两条平面光波导臂中的激光束的相位差即发生变化，随后，第二耦合器213接收相位已经发生变化了的两束激光束使得两束激光束的相位变化转化为光功率变化，并输出光功率变化信息。探测器215接收第二耦合器213发出的光功率变化信息并输出到数据处理单元22，由数据处理单元22计算出最终电磁波功率。在本实施例中，该第一耦合器212和第二耦合器213均为硅基二氧化硅平面光波导结构，因而可实现具有传统光纤耦合器无法相比的小尺寸及高集成度，尺寸可小达传统光纤耦的十分之一，此外，还具有均匀性好，PDL指标低的优点。

综上所述，本发明通过将吸波超材料1与温度检测装置2结合起来，温度检测装置2能精确、及时地测量吸波超材料1将太赫兹波能量转化为热能所产生的温度变化，从而精确测量电磁波的功率，具有其检测灵敏度高、尺寸小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：包括吸波超材料及温度检测装置；该吸波超材料包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有多个人造微结构，太赫兹波通过该吸波超材料时被该吸波超材料吸收并使得该吸波超材料温度发生变化；该温度检测装置包括平面光波导温度传感器及数据处理单元，该平面光波导温度传感器用于检测吸波超材料温度，该数据处理单元用于根据吸波超材料温度的变化得出该太赫兹波功率；平面光波导温度传感器包括:激光器，用以发出激光束；第一耦合器，用以将该激光束分离为第一激光束和第二激光束；第一平面光波导臂和第二平面光波导臂，为高分子材料光波导，用以分别接收并传输该第一激光束和该第二激光束；当该第一平面光波导臂和/或该第二平面光波导臂温度发生变化时，该第一激光束和/或该第二激光束相位相应发生变化；第二耦合器，用以接收相位发生变化的该第一激光束和该第二激光束、将该相位变化转化为光功率变化并输出该光功率变化信息；探测器，用以接收从该第二耦合器输出的该光功率变化信息并将该光功率变化信息输出至该数据处理单元；其中，该第一平面光波导臂和该第二平面光波导臂两者之一集成于该吸波超材料中。

2.根据权利要求1所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：该第一耦合器或/和第二耦合器为硅基二氧化硅平面光波导结构。

3.根据权利要求1至2任一项所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造微结构一一对应的第二人造微结构；该第一人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

4.根据权利要求1至2任一项所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：该人造微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。

5.根据权利要求1至2任一项所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：该基材为片状基材，该吸波超材料由附着有多个该人造微结构的该片状基材叠加而成。

6.根据权利要求1至2任一项所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：该基材由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

7.根据权利要求1至2任一项所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：多个该人造微结构为周期排列，并通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。

8.根据权利要求1所述的基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计，其特征在于：所述平面光波导温度传感器可为由微环谐振腔制作的温度传感器。