CN103545618A - 一种太赫兹波段宽带吸收超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波段宽带吸收超材料，属于电磁通信领域。所述超材料包括金属反射层、介质层和金属图案层，介质层位于金属反射层和金属图案层之间，金属反射层为连续金属薄膜，其厚度大于太赫兹波的趋肤深度，金属图案层由周期性排列的单元器件构成，单元器件为多个同心金属环，其中相邻单环的吸收带宽部分重叠，形成太赫兹波段宽带吸收。本发明提供的太赫兹波段宽带吸收材料，大大提高了超材料周期结构的占空比及平均吸收率，并可通过增减同心金属环的数量实现太赫兹波段吸收的带宽控制，调整吸收带宽方便灵活、图形结构简单、不需要多层材料堆叠、周期小、制作精度要求低、便于批量生产。
Description
技术领域
本发明属于电磁通信领域，更具体地，涉及一种太赫兹波段宽带吸收超材料。
背景技术
太赫兹波（THz，1THz=1012Hz）是指频率在0.1THz至10THz范围内的电磁波，该频段介于宏观电子学向微观光子学的过渡频段，在高频处与红外波相重合，在低频处与毫米波相重合。由于在此波段范围，既不适合完全用光学理论处理，也不适合完全用微波技术研究，且长期以来一直缺少太赫兹波产生和检测的有效方法，因此被称为电磁波的“THz空隙（THz gap）”。但是太赫兹光谱包含非常丰富的物理和化学信息，因此其对物质结构的探测、毒品和爆炸物的探测识别、材料内部缺陷的无损检测、大气环境检测等领域有十分重要的潜在应用价值。
超材料（Metamaterials）是指一类具有天然材料所不具有的超常电磁性质的人工复合材料，其人工复合结构尺寸远小于工作波长（一般为入射波长1/20左右），因此在工作波长内可视为一种均匀电磁媒质。通过对这种超材料的关键尺寸进行合理设计及优化，达到对自由空间入射的电磁波阻抗匹配以实现对特定频率的电磁波近乎完美吸收。
具有宽带吸收特性的太赫兹波超材料具有很重要的应用价值：在军事上，可以实现对太赫兹波雷达的隐身；在民用领域，可以应用于大气环境检测和毒品的检测等。目前实现太赫兹波段宽带吸收方式主要有两种：一种是沿入射光方向纵向堆叠多层吸收峰位不同的太赫兹波段窄带吸收超材料；另一种将多种独立的窄带吸收元平面组合在一起，形成一个较大的吸收单元，再将吸收单元按周期排列。第一种方法，受限于微结构的加工工艺水平及其不同平面层超材料之间的对准精度要求，堆叠层数有限，因此实现的吸收带宽有限；对于第二种方法，随着独立吸收元个数的增加，材料周期增大，但受限于超材料周期远小于工作波长的限制，周期内所能排列的独立窄带吸收元个数有限，因此吸收带宽有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹波段宽带吸收超材料，其目的在于用单层小周期尺寸的超材料实现太赫兹波段宽带吸收功能，由此解决目前的太赫兹波段超材料吸收带宽有限且加工困难的问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种太赫兹波段宽带吸收超材料，包括金属反射层、介质层和金属图案层，介质层位于金属反射层和金属图案层之间，所述金属反射层为连续金属薄膜，其厚度大于太赫兹波的趋肤深度，其特征在于，所述金属图案层由周期性排列的单元器件构成，所述单元器件为多个同心金属环，其中相邻环的吸收带宽部分重叠。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其单元器件同心金属环为方形、圆形或其他多边形。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其单元器件同心金属环为8个。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其单元器件相邻金属环之间的间距在0.1μm～0.4μm之间。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其单元器件金属环的金属边横截面宽度在0.2μm～0.6μm之间，高度在0.04μm～0.6μm之间。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其金属图案层的材料为金或铝。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其金属反射层的材料为金或铝。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其介质层材料为太赫兹波段低损耗高分子聚合物或无机陶瓷材料。
优选地，所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其介质层厚度在6μm～10μm之间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的太赫兹波段宽带吸收超材料，利用偶极子谐振吸收原理，所述超材料谐振吸收峰由偶极子谐振引起，由于超材料金属图案层单元器件的金属环其偶极子谐振吸收峰的位置与金属环中平行于入射电场的边长成反比，并且不同边长的金属环谐振吸收峰相互独立，因此通过控制多个同心金属环的大小及它们之间的距离，使得各个分立的谐振吸收峰相互靠近，其吸收带宽相互叠加在一起形成太赫兹波段的宽带吸收。金属图案层单元器件的多个金属环同心嵌套设计大大提高超材料周期结构的占空比以及平均吸收率。并且可通过增减同心金属环的数量实现太赫兹波段吸收带宽控制，吸收带宽调整方便灵活。由于多个金属环采用相同的形状同心嵌套，图形结构简单，且不需要多层超材料堆叠，因此本发明提供的太赫兹波段宽带吸收超材料周期小，制作精度要求低，便于批量生产。
同时由于合理优化介质层的厚度实现对自由空间的阻抗匹配，进一步增强了本发明提供的太赫兹波段宽带吸收超材料的吸收率，优选方案，所述太赫兹波宽带吸收超材料吸收半高宽(3dB带宽)为3.7THz，最大吸收率达到99.9%，平均吸收率超过75%。
附图说明
图1是本发明提供的太赫兹波段宽带吸收超材料结构示意图；
图2是本发明优选方案金属图案层单元器件示意图；
图3是实施例1的数值仿真吸收图；
图4是实施例2的数值仿真吸收图；
图5是实施例3的数值仿真吸收图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为金属图案层，2为介质层，3为金属反射层.
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的太赫兹波段宽带吸收超材料结构，如图1所示。所述太赫兹波段宽带吸收超材料具有三层结构，包括金属反射层、介质层和金属图案层，介质层位于金属层和金属图案层之间。其中，金属反射层，用于反射太赫兹波，厚度大于太赫兹波的趋肤深度且为连续金属薄膜，材料优选金和铝；介质层，用于隔离上下金属层，调节超材料器件与自由空间的阻抗匹配，介质材料通常为太赫兹波低损耗的有机高分子聚合物或者无机陶瓷材料，介质层的厚度决定宽带吸收的强度，厚度在6～10μm为宜；金属图案层，包括多个单元器件，所述单元器件呈周期性排列，用于实现对入射太赫兹波的宽带谐振吸收，其单元器件为多个同心金属环，金属环为闭合环，形状可为方形、圆形或其他便于加工的形状，金属环的边长决定了金属环的吸收峰，金属环之间的距离决定了各金属环吸收峰叠加的情况，因此，金属图案层决定了所述超材料的吸收带宽。
所述太赫兹波段宽带吸收超材料，可通过调节金属图案层单元器件中同心金属环的形状、个数及介质层的厚度，调整对太赫兹波的吸收效果，当单元器件图案为8个同心方形金属环时能较好的保证吸收效果，同时较便于加工，以下仅以8个同心方形金属环为例描述太赫兹波段宽带吸收超材料。
以下为实施例：
实施例1
太赫兹波段宽带吸收超材料包括金属反射层、介质层和金属图案层。金属反射层为连续金属铝薄膜，反射层厚度H3=1μm，金属铝电导率σ=3.56×107S/m；介质层为聚酰亚胺，厚度H2=9μm，介电常数ε=3.5，磁导率为μ=1；金属图案层为8个同心方形金属环，所述的同心金属环的金属截面宽度W=0.4μm、高度H1=0.05μm，各个金属环之间间距为D=0.3μm，最外侧方形金属环边长L1=19.6μm，最内侧方形环边长L2=8μm，二维周期阵列超材料周期为P=30μm。金属图案层优选方案如图2所示。
上述太赫兹波段宽带吸收超材料经过CST模拟，其吸收频谱如图3所示。在3dB带宽3.7THz（2.38～6.08THz)范围内峰值吸收99.9%，平均吸收率大于75%。
实施例2
太赫兹波段宽带吸收超材料包括金属反射层、介质层和金属图案层。金属反射层为连续金属铝薄膜，反射层厚度H3=1μm，金属铝电导率σ=3.56×107S/m；介质层为聚酰亚胺，介质层厚度H2=6μm，介电常数ε=3.5，磁导率为μ=1；金属图案层为8个同心方形金属环，所述的同心金属环的金属截面宽度W=0.2μm、高度H1=0.04μm，各个金属环之间间距为D=0.1μm，最外侧方形金属环边长L1=19.6μm，最内侧方形环边长L2=14μm，二维周期阵列超材料周期为P=30μm。金属图案层优选方案如图2所示。
上述太赫兹波段宽带吸收超材料经过CST模拟，其吸收频谱如图4所示。在3dB带宽1.06THz(2.41～3.47THz)范围内峰值吸收99.8%，平均吸收率大于85%。
实施例3
宽带吸收的太赫兹波段宽带吸收超材料包括金属反射层、介质层和金属图案层。金属反射层为连续金属铝薄膜，反射层厚度H3=1μm，金属铝电导率σ=3.56×107S/m；介质层为聚酰亚胺，介质层厚度H2=10μm，实介电常数ε=3.5，磁导率为μ=1；金属图案层为8个同心方形金属环，所述的同心金属环的金属截面宽度W=0.6μm、高度H1=0.6μm，各个金属环之间间距为D=0.4μm，最外侧方形金属环边长L1=19.6μm，最内侧方形环边长L2=3.3μm，二维周期阵列超材料周期为P=30μm。金属图案层优选方案如图2所示。
上述太赫兹波段宽带吸收超材料经过CST模拟，其吸收频谱如图5所示。在3dB带宽2.7THz（3.2～5.9THz）范围内峰值吸收99.7%，平均吸收率大于70%。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太赫兹波段宽带吸收超材料，包括金属反射层、介质层和金属图案层，介质层位于金属反射层和金属图案层之间，所述金属反射层为连续金属薄膜，其厚度大于太赫兹波的趋肤深度，其特征在于，所述金属图案层由周期性排列的单元器件构成，所述单元器件为多个同心金属环，其中相邻环的吸收带宽部分重叠。
2.如权利要求1所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述单元器件同心金属环为方形、圆形或其他多边形。
3.如权利要求2所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述单元器件同心金属环为8个。
4.如权利要求3所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述单元器件相邻金属环之间的间距在0.1μm～0.4μm之间。
5.如权利要求4所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述单元器件金属环的金属边横截面宽度在0.2μm～0.6μm之间，高度在0.04μm～0.6μm之间。
6.如权利要求1到5中任意一项所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述金属图案层的材料为金或铝。
7.如权利要求1到6中任意一项所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述金属反射层的材料为金或铝。
8.如权利要求1到7中任意一项所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述介质层材料为太赫兹波段低损耗高分子聚合物或无机陶瓷材料。
9.如权利要求8所述的太赫兹波段宽带吸收超材料，其特征在于，所述介质层厚度在6μm～10μm之间。
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