CN104360424A - 一种基于l型结构的宽带太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

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Abstract

一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能材料技术领域。该太赫兹超材料吸收器，包括金属反射层、介质层和金属图案层。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层位于金属反射层和金属图案层之间，为二氧化硅薄膜；金属图案层，由呈L型的单元超材料结构周期性排列而成，且每个L型单元超材料结构均由相互垂直的水平臂和垂直臂连接组成。本发明通过合理设计L型结构的几何尺寸、晶格周期以及中间介质层的厚度，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。本发明图形结构简单、不需要多层材料堆叠，且具有宽频带高吸收的特性，可用于电磁波的收集和探测装置。

Description

一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器
技术领域
本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种太赫兹吸收器，具体涉及一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器。
背景技术
太赫兹波通常是指频率在0.1THz～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁波。从频率上来看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和探测技术，人们对这段波的了解甚少，以致形成了“太赫兹空白”的现象。太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。太赫兹的研究涉及物理学、光电子学及材料科学等，它在成像、医学诊断、环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用前景和应用价值，受到世界各国的关注。
电磁超材料(Metamaterial)是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料。超材料的特性在于可以通过对人工结构单元的关键物理尺寸的优化设计，实现对电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可实现诸如完美透镜、负折射率等超常电磁特性。
利用超材料实现对电磁波的完美吸收，近年来受到人们的广泛关注。2008年，Landy等人首次提出了“完美吸收器”的概念[Phys.Rev.Lett.100,207402(2008)]，这是一种基于超材料的电磁谐振吸收器，是一种金属层-介质层-超材料层的三层式结构。通过对结构参数的优化设计，实现介电常数ε和磁导率μ的完美匹配，使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配，从而降低电磁波的反射，对入射到吸收器的特定频率内的电磁波实现100％的吸收。然而，由于谐振特性，这种超材料吸收器通常工作在单一频段，且只有很窄的吸收频带，这限制了它在实际中的应用，从而使宽带超材料吸收器成为研究的一个热点。
目前，实现太赫兹波宽带吸收主要有两种方法：一种是通过在平面内将多个独立的谐振单元结构组合在一起，通过多个相邻吸收峰的耦合叠加，拓宽吸收带宽；另一种是通过在垂直方向上叠加多层不同几何尺寸的谐振器结构，实现宽带吸收。第一种方法，由于平面内所能平铺的谐振单元结构个数有限，限制了吸收带宽的拓宽。第二种方法，由于在加工过程中需要进行多次的对准工作，工艺复杂，堆叠层数有限，同样使吸收器的带宽受到了限制。
发明内容
针对现有超材料吸收器的不足或改进需求，本发明提出了一种太赫兹波段的基于L型结构的宽带超材料吸收器，其目的在于简化吸收器单元结构和加工过程，拓宽吸收带宽，且结构相对于现有的结构简单，易于加工。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，包括金属反射层、介质层和金属图案层。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜；介质层位于金属反射层和金属图案层之间，为二氧化硅薄膜；金属图案层，由呈L型的超材料结构单元周期性排列而成，每个L型超材料结构单元均由相互垂直的水平臂和垂直臂连接组成，L型超材料结构单元的晶格周期为15～25μm，且L型超材料结构单元的垂直臂臂长x2等于水平臂臂宽y1，垂直臂臂宽y2＝x1-y1，其中水平臂臂长x1为14～20μm，水平臂臂宽y1为5～8μm。
所述的金属反射层的材料为金、银、铝或铜，金属反射层的厚度为50～200nm。
金属反射层的厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度。具体不同的金属它的趋肤深度不同，只要反射层的厚度大于它工作波段的最小值就可以。对于金属Au,厚度大于58nm即可；对于金属Ag，厚度大于50nm；对于金属Al,厚度大于59nm；对于金属Cu，厚度大于74nm。虽然金属反射层的厚度没有上限，但出于制作成本考虑，金属反射层厚度不超过200nm。
所述的中间介质层的介电常数为4～5，介质层的厚度为5～8μm。
所述的金属图案层的材料为金、银、铝或铜，厚度为50～200nm。
本发明所述太赫兹超材料吸收器具有图形结构简单、不需多层超材料堆叠，易于实现集成，且具有宽频带高吸收等优点，可用于太赫兹波的收集和探测装置。
本发明所述的太赫兹超材料吸收器，当太赫兹波段电磁波垂直入射时，入射电磁波的电场分量与金属图案层发生电谐振，而入射电磁波的磁场分量与两层金属层之间发生磁谐振。通过合理优化设计L型结构的几何尺寸、晶格周期以及中间介质层的厚度，使得电谐振与磁谐振在特定的频率范围内同时发生电磁谐振，从而增强了本发明提供的太赫兹超材料吸收器的宽带吸收率，优选方案，所述的超材料吸收器吸收率在90％以上的频带宽度达到1.4THz，最大吸收率高达99.75％。
附图说明
图1是本发明提出的基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器的整体结构示意图；
图2是本发明提出的基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器的单元结构示意图；
图3是该宽带太赫兹超材料吸收器的数值仿真吸收率图；
图中标记，其中：1为金属反射层，2为中间介质层；3为金属图案层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，如图1、2所示，包括金属反射层、介质层和金属图案层。所述金属反射层为一层连续的金属铝薄膜，电导率为1×107S/m，其厚度为100nm；介质层为二氧化硅薄膜，复折射率为2.0+0.025i，介质厚度为6μm；金属图案层的材料为铝，厚度为100nm。其中，L型超材料结构单元的晶格周期p为22μm，水平臂臂长x1为16μm，水平臂臂宽y1为6μm，垂直臂臂长x2为6μm，垂直臂臂宽y2为10μm。
上述太赫兹超材料吸收器经过CST Microwave Studio 2013电磁仿真软件中的频域算法模拟计算，在垂直入射TE波情况下，其吸收频谱如图3所示。吸收率的计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为反射系数的模值，|S21|为透射系数的模值。通过合理优化设计吸收器的结构参数和材料，使吸收器在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配(即吸收材料的有效介电常数与有效磁导率相等)，此时，由于电磁波完全进入吸收器而几乎不被反射，反射率R接近与零；其次，金属反射层使电磁波不能透过该材料，使得透射率T也为零；这样电磁波被完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。模拟表明，该吸收器吸收率在90％以上的频带宽度达到1.4THz(频段为2.8THz～4.2THz)，最大吸收率高达99.75％。

Claims (4)

1.一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，包括金属反射层、介质层和金属图案层；所述金属反射层为一层连续的金属薄膜；介质层位于金属反射层和金属图案层之间，为二氧化硅薄膜；金属图案层，由呈L型的超材料结构单元周期性排列而成，每个L型超材料结构单元均由相互垂直的水平臂和垂直臂连接组成，L型超材料结构单元的晶格周期为15～25μm，且L型超材料结构单元的垂直臂臂长x2等于水平臂臂宽y1，垂直臂臂宽y2＝x1-y1，其中水平臂臂长x1为14～20μm，水平臂臂宽y1为5～8μm。
2.根据权利要求1所述的基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述的金属反射层的材料为金、银、铝或铜，金属反射层的厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述的中间介质层的介电常数为4～5，介质层的厚度为5～8μm。
4.根据权利要求1所述的基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述的金属图案层的材料为金、银、铝或铜，厚度为50～200nm。
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