CN107317119A - 一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，包括介质层、对称设置在介质层两侧的电磁超材料层，且两个电磁超材料层的结构相同、对称设置，每个电磁超材料层是呈周期排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，具有相同的振幅和波长的信号波和控制波沿垂直于电磁超材料层的方向相向传播。本发明制造方便、厚度薄、重量轻、易于共形，可以对特定波长的电磁波实现完美的选择性吸收，在雷达隐身、成像等领域具有重要的应用前景。

Description

一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件

技术领域

本发明涉及一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，属于电磁波和电磁超材料领域。

背景技术

吸波技术主要是利用吸波材料有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的，其中，完美吸收器广泛应用于光探测器、频谱成像和测辐射热仪等领域。电磁超材料的出现，丰富了电磁领域的研究内容，也为实现多种新型微波器件、微纳器件提供了机遇。

超材料通常又被称为电磁超材料，它之所以能够引起众多研究者的兴趣的原因主要在于超材料能够产生在自然界中天然材料无法获得的电磁响应特性和能力。由于具有可以将内部基本单元结构进行周期性的人工排列的特性，根据不同形状和大小的几何结构，电磁超材料可以在理论上实现任意数值的介电常数和磁导率，从而即可产生自然界中天然材料所不具备的独特电磁响应的特性，能够实现对电磁波的调制，改变电磁波的传播方式。2008年，美国研究人员N.I.Landy提出了基于电磁超材料的完美吸收器的概念，利用三层结构，通过合理地设计结构参数，使该结构对特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现了单一频率电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计了多种不同结构的完美吸收器，研究频段从微波段扩展到THz频段、近红外频段、可见光频段。基于电磁超材料的光波段吸收器，厚度约为谐振波长的1/15，实验上实现了88％的吸收率。Tao等设计了THz频段的超材料吸收器，在1.3THz处吸收率约为70％。目前，越来越多的研究工作集中于多频与宽频超材料吸收器。Zhang提出了一种基于电谐振环结构的THz频段双频吸收器，其在0.45THz与0.92THz具有高吸收率。Shen设计一种基于开口谐振环结构的三频吸收器，可在4.06GHz，6.73GHz和9.22GHz分别实现99％，93％和95％的高吸收率。Cummer利用多层谐振环的组合结构实现了相对带宽为6.1％的宽频吸收器。Nie等设计了基于相干控制的动态可调谐吸收器，信号波与控制波相位差为0度是，在5.37GHz处，吸收率达到了98％；两束波的相位差为180度时，在4.95GHz和5.84GHz处吸收率分别为97.53％和90.50％。

以上所述的基于电磁超材料的完美吸收器，具有固定的工作频率，无法实现工作频率的切换。基于偏振切换以及相干控制的多频段电磁波完美吸收结构是利用电磁超材料的谐振特性，通过调节单元和相干波的参数以及相干波的偏振方向来实现对电磁波的零反射和零透射，从而实现对特定频率电磁波的选择性吸收，并且可以动态控制电磁波的吸收率。与之前的工作相比，我们设计的吸收器是通过偏振切换而改变吸收器的工作频率。利用偏振切换以及相干特性的超材料吸收器相比于传统材料，制作简单、操作方便、成本大幅降低，能够动态控制吸收率与切换工作频率，具有很大的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的是利用电磁超材料的谐振特性，提供一种偏振可控的多频段相干超材料吸收器件。这种电磁波吸收器可以对不同频率下偏振态不同的电磁波的选择性吸收，且效果良好。偏振可控的多频段相干超材料吸收器件由电磁超材料单元结构组成，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。

本发明的目的是这样实现的：包括介质层、对称设置在介质层两侧的电磁超材料层，且两个电磁超材料层的结构相同、对称设置，每个电磁超材料层是呈周期排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，具有相同的振幅和波长的信号波和控制波沿垂直于电磁超材料层的方向相向传播。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述电磁超材料层的层间设置有任意旋转角。

2.所述电磁超材料层的厚度为微米或者百纳米量级，材料是金属材料。

3.所述介质层的材料为PCB材料或半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的吸波材料需要复杂的工序，并且价格昂贵。

(2)本发明具有选择性吸收特性，此结构可以实现对特定频率的电磁波的选择性吸收，并且可以通过切换控制波和信号波的偏振态控制特定频率下此结构对电磁波的吸收率，在雷达隐身、成像以及测辐射仪等领域均有更加广阔的应用前景。

(3)本发明操作简单，通过调节控制波与信号波的偏振方向、控制波的相位、电磁超材料的结构、尺寸参数和材料属性，就能够调节吸收器的吸收频带，实现对特定频率的电磁波吸收大小的控制。

(4)本发明同时具有便携、重量轻、容易集成等优点，较传统的吸波材料，本发明仅为单层，厚度小、重量轻、易于共形。

(5)本发明与本实验室聂光宇同学的基于相干控制的动态可调谐吸收器专利相比，前面与后面两层非对称开口环是对称的。

(6)本发明与之前申请的专利：基于相干控制的动态可调谐吸收器专利相比，本发明是通过改变入射光的偏振态来改变吸收器的工作频率，而聂光宇同学的专利是通过改变入射光的相位差来实现可调谐吸收。

附图说明

图1是偏振可控的多频段相干超材料吸收器件的基本结构单元的示意图。

图2是偏振可控的多频段相干超材料吸收器件的基本结构单元视图。

图3、图4是偏振可控的多频段相干超材料吸收器件的工作原理图。

图5是偏振可控的多频段相干超材料吸收器件工作时，控制波与信号波的相位差为0度时，X偏振(实线)和Y偏振(虚线)的仿真结果。

图6是偏振可控的多频段相干超材料吸收器件工作时，控制波与信号波的相位差为180度时，X偏振(实线)和Y偏振(虚线)的仿真结果。

图中：1.基底，2.金属弧，3.金属弧，4.信号波，5.控制波，6.信号波，7.控制波

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明采用双层的电磁超材料，在多个频段实现了对电磁波的偏振切换的相干吸收。所述的偏振可控的多频段相干超材料吸收器件包括介质层和双电磁超材料层，双电磁超材料层位于介质层的两侧，其中电磁超材料为周期性排列的非对称开口环基本结构单元，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，电磁超材料为亚波长结构，存在层间结构旋转角。所述的偏振可控的相干吸收由两束相干波完成，即信号波和控制波，具有相同的振幅和波长，沿垂直于电磁超材料的方向相向传播，通过改变控制波与信号波的偏振方向，可以实现相干吸收的工作频率切换。

所述双电磁超材料层分别刻蚀在基底两侧，为周期结构，周期大小为亚波长量级。

所述双电磁超材料层的结构单元相同，层间存在任意旋转角。

所输的电磁超材料的基本结构单元是非对称性的，每层电磁超材料的基本结构单元包含2段不等长的金属线或弧。

所述的电磁超材料的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金属材料，可以为金、银、铝或铜等。

所述的电磁超材料的基底材料为PCB材料、半导体材料、玻璃等，厚度为毫米或者百微米量级。

所述超材料吸收器对入射波的偏振方向比较敏感，通过偏振方向的切换，可以实现工作频率的切换以及吸收效率的改变。

所述的偏振可控的相干控制由信号波与控制波的相互作用以及切换两束波的偏振方向实现，两束相向传播的相干波形成驻波，调节控制波的相位，即动态调控超材料与驻波的波节、波腹之间的相互作用，并且切换信号波和控制波的偏振方向，实现偏振可控的多频段相干超材料吸收器件。实施例显示：相位差为180度时，当偏振态由X切换都Y时，相干吸收的工作频率由4.9和5.6GHz切换到9.7和11GHz左右。

本发明采用的技术方案为一种偏振可控的多频段相干超材料吸收器件，它由一个双层的电磁结构组成。一束信号波以一定波长垂直入射到电磁超材料上，另一束与信号波互为相干波的控制波，以同样的振幅和波长相向传播，通过切换信号波和控制波的偏振方向以及改变控制波的相位，并且调整电磁超材料的结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对多频段信号波的选择性吸收以及控制吸收的程度。

偏振可控的多频段相干超材料吸收器件包括基底和双层电磁超材料，基底位于双层电磁超材料之间，其中电磁超材料为周期性排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属弧构成，对应的弧度角分别为140度与160度。作为双层人工电磁材料的基底或者间隔层来支撑双层电磁超材料；每层电磁超材料由周期性排列的电磁超材料基本单元构成，两层的基本单元结构完全相同，但存在结构旋转角，基本单元存在结构的非对称性，此结构不发生偏振极化和正交偏振传输。每层开口环结构单元由两段一定长度的金属线或弧构成，开口环周期性结构刻蚀在基底两侧,并沿X和Y方向进行周期延拓。所述的电磁超材料的金属弧的材料，可以为金、银、铝、铜等。所述的电磁超材料的基底通常采用PCB材料、半导体材料、玻璃等，厚度为毫米或者百微米量级。

在信号波的传播方向上测量通过电磁超材料的信号波，获取电磁超材料的吸收率。在没有电磁超材料的情况下，相向传播的信号波和控制波形成驻波。一个信号源提供一定的波长信号波，垂直地向电磁超材料传播，另一个控制源提供控制波，此波与信号波互为相干波，其振幅、偏振态和波长均与信号波相同。若将电磁超材料放置在驻波的节点或波腹位置，即信号波和控制波的相位相差为0度和180度。然后对信号波与控制波的偏振态进行正交切换，可以实现不同频率下信号波的吸收，可以达到多频段完美吸收的效果。

本发明制造方便、厚度薄、重量轻、易于共形，可以对特定波长的电磁波实现完美的选择性吸收，在雷达隐身、成像等领域具有重要的应用前景。

下面给出本发明的的一个具体实施例：

本发明由双层开口环结构2、3和基底1组成，双层开口环周期性地排列在基底两侧，基底厚度为1.6毫米，材料是PCB，其介电常数ε＝4.05-0.05i，每个电磁超材料单元的尺寸为15毫米×15毫米。如图2所示，图1所示的结构是基底两侧的开口环互相对称，并沿X和Y方向周期性延拓，形成双层开口环阵列，每一侧的开口环均是由两段长度不同的金属弧2、3构成，金属弧的材料是铜，所对应的角度分别为α＝140度和β＝160度，其内径r＝5.6毫米，外径R＝6.4毫米，厚度t＝35微米，双层开口环周期性地刻蚀在基底两侧。

结合附图3进一步说明，首先为偏振可控的多频段相干超材料吸收器件设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于偏振可控的多频段相干超材料吸收器件的表面。两束波为信号波和控制波，分别由信号源和控制源发射出。信号波和控制波为相干波，具有相同的波长和振幅，电场极化方向均为X方向，频率范围设定为4-14GHz，并沿Z轴方向相向通过电磁超材料，与双层开口环结构相互作用，电磁波呈现零透射和零反射。根据吸收率＝1-反射率-透射率，该吸收器达到完美的吸波效果。

在未放置的电磁超材料情况下，控制波和信号波相干涉形成驻波。当将电磁超材料放在节点或波腹位置时，即信号波和控制波的相位相差0度和180度，电磁超材料单元会强烈的影响信号波的传播，可以完全某些频率的电磁波。调节控制波的相位，使两束波产生不同的相位差，实验结果显示，当相位差为0度时，如图5实线所示，在5.68GHz处X偏振波的吸收率为94.4％，如图5虚线所示，在13.73GHz处Y偏振波的吸收率为23.4％；当相位差为180度时，如图6实线所示，X偏振波在4.90GHz和5.58GHz处吸收率分别为95.9％和95.7％，如图6虚线所示，Y偏振波在9.65GHz和10.95GHz处吸收率分别为98.5％和98.9％，由此可见，通过切换入射波的偏振方向以及改变控制波相位，可以变换吸收器的工作频率，进行选择性的吸收，其中有5个个频带的吸收率均超过90％，达到近完美吸收的效果，从而实现了偏振可控的相干超材料的吸收。通过改变吸收器结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对任意设定频率的电磁波的选择性吸收，并且效果良好。

综上，一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，属于电磁波调控和电磁超材料应用领域。本发明公开了一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于，采用双层的电磁超材料，利用正交偏振在多频段实现了完美相干吸收。所述的偏振可控的多频段超材料相干吸波器件包括介质层和双电磁超材料层，双电磁超材料层位于介质层的两侧，其中电磁超材料为周期性排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属弧构成。所述偏振可控的相干吸收，表现为相干完美吸收的频段对偏振态的依赖，即将相向入射的两束光的偏振态由x切换到y方向时，相干完美吸收也将切换到不同的频段。本发明所述的偏振可控的多频段超材料相干吸收器件制作工艺简单、成本低，对偏振比较敏感，适用于各个频段，在微波器件、隐身、光吸收器等领域有很大的应用前景。

Claims (5)

1.一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于：包括介质层、对称设置在介质层两侧的电磁超材料层，且两个电磁超材料层的结构相同、对称设置，每个电磁超材料层是呈周期排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，具有相同的振幅和波长的信号波和控制波沿垂直于电磁超材料层的方向相向传播。

2.根据权利要求1所述的一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于：所述电磁超材料层的层间设置有任意旋转角。

3.根据权利要求1或2所述的一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于：所述电磁超材料层的厚度为微米或者百纳米量级，材料是金属材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于：所述介质层的材料为PCB材料或半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。

5.根据权利要求3所述的一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，其特征在于：所述介质层的材料为PCB材料或半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。