CN108258428B - 用于电磁波滤波器的超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电磁波滤波器的超材料，所述超材料包括：衬底；和设置在衬底上的膜，其中所述膜形成为使得被布置为形成旋转对称图案的一组槽被图案化为凹雕形状或被布置为形成旋转对称图案的一组结构被凸雕并且图案化，以根据入射在所述膜上的电磁波的偏振来控制透射率。

Description

用于电磁波滤波器的超材料
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2016年12月28日提交的韩国专利申请No.2016-0181122的优先权和权益，该申请的公开内容通过引用的方式全部并入本申请中。
技术领域
本发明涉及超材料，更具体地涉及作为电磁波滤波器的元件的并且不受入射电磁波的偏振(polarization)状态的影响的超材料。
背景技术
通常，电磁波滤波器使用包括沿单一方向布置的槽的超材料，以使透射效率和反射效率最大化。然而，在这样的超材料的结构中，电磁波的透射效率根据入射到超材料上的电磁波的偏振和超材料的旋转角(即，根据马吕斯(Malus)定律沿单一方向布置的槽的旋转角)而急剧降低。图1示出了x轴上的电磁波的频率、y轴上的电磁波的透射效率以及z轴上的包括在超材料中的槽的旋转角，参照图1，可以看出，基于包括沿单一方向布置的槽的超材料的电磁波滤波器的透射效率根据每180°的槽的旋转角而变化。
从美国专利第8,710,444号中公开的具有槽结构的超材料可以预期到强电磁波的放大效应和诸如通过放大效应感测痕量物质的应用，然而，由于在这样的结构中透射效率也根据超材料的旋转角和电磁波的入射偏振而极大地发生变化，所以当使用超材料的传感器测量样品的透射率时，仍然存在发生误差的问题。
也就是说，在需要诸如检测痕量材料的精确测量的情况下，由于超材料的布置和实验环境可能发生误差，因此需要注意，并且难以将由于检测目标材料产生的光特性的变化和这样的电磁波的反应效率的变化区分开来，这在检测和精确测量高灵敏分子时会成为致命的弱点。因此，为了解决这样的问题，需要不会因布置、旋转而发生电磁波的透射特性变化的超材料。
现有技术文献
专利文献
(专利文献1)美国专利第8,710,444号
非专利文献
(非专利文献1)Polarization-dependent Transmission ThroughSubwavelength Anisotropic Aperture Arrays，Jeffrey R.DiMaio and John Ballato，Optical Express，vol.April 14,2006
发明内容
本发明旨在提供一种用于电磁波滤波器的超材料，所述超材料具有被配置为抑制根据电磁波滤波器的电磁波的偏振方向的变化而导致的透射效率和反射效率的变化的结构，所述电磁波滤波器不受入射电磁波的偏振和超材料的旋转角的影响。
本发明的第一方面提供了一种用于电磁波滤波器的超材料，所述超材料包括：衬底；和设置在衬底上的膜，其中所述膜形成为使得被布置为形成旋转对称图案的一组槽被图案化为凹雕形状或被布置为形成旋转对称图案的一组结构被凸雕并且图案化，以根据入射到所述膜上的电磁波的偏振来控制透射率(transmission rate)。
优选地，可以确定所述槽或所述结构的阵列角度(array angle)，使得根据入射到所述膜上的电磁波的偏振的所述超材料透射率及反射率具有恒定的值。
优选地，所述槽或所述结构可以形成蜂窝结构图案，在所述蜂窝结构图案中所述槽或所述结构相对于垂直方向以0°、120°和240°布置。
优选地，所述槽或所述结构可以形成叶绿体分子结构图案，在所述叶绿体分子结构图案中所述槽或结构布置为五边形形状和六边形形状。
优选地，所述衬底可以由石英、硅、蓝宝石或玻璃形成。
优选地，所述膜可以由金、银、铜或铝形成。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本领域普通技术人员将更加明白本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出了根据沿单一方向布置的超材料的旋转的电磁波的透射光谱的变化的曲线图；
图2是示出了根据本发明的一个实施例的超材料的剖视图；
图3是示出了根据本发明的一个实施例的在用于电磁波滤波器的超材料上图案化的图案的视图；
图4是示出了根据本发明的另一个实施例的在用于电磁波滤波器的超材料上图案化的图案的视图；
图5是示出了根据由超材料形成的电磁波滤波器的旋转角的电磁波的透射光谱的图片；以及
图6是示出了根据由超材料形成的电磁波滤波器的旋转角的电磁波的透射效率的变化的曲线图。
具体实施方式
参照附图和以下详细的实施例应当清楚地理解本发明的优点和特征及其实现方法。然而，本发明不限于要公开的实施例，并且可以以各种不同的形式来实施。提供实施例是为了充分解释本发明，并且为本领域技术人员充分解释本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书限定。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。“和/或”是指包括一个或一个以上所提及的项目的所有组合。
虽然这里就各种元件、部件和/或部分而言可以使用术语第一、第二等，但是这些元件、部件和/或部分不应被解释为受这些术语的限制。这些术语仅用于使一个元件、组件和/或部分与另一个元件、组件和/或部分区分开。相应地，根据本发明的精神，下面提到的第一元件、第一部件或第一部分也可以是第二元件、第二部件或第二部分。
提供这里使用的术语以仅仅描述本发明的实施例，而不是为了限制的目的。除非上下文清楚地指出，单数形式包括复数形式。应该理解的是，当在此使用时，术语“包括”和“包含”指定所陈述的组件、步骤、操作和/或元件，但并不排除存在或增加一个或多个其他组件、步骤、操作和/或元素。
除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)都可以按照本发明所属领域的惯例使用。另外，还应当理解的是，术语(例如常用的字典中定义的术语)不应当以理想化或过于正式意义上的方式来进行理解，除非本文中特别作出了如此定义。
当在本发明的实施例的描述中，确定与本发明相关的已知技术的详细描述不必要地模糊本发明的主题时，将省略其详细描述。下面描述的一些术语是考虑到本发明中的功能来定义的，并且其含义可以根据，例如使用者或操作者的意图或习惯而变化。因此，应该在整个说明书的范围的基础上来解释术语的含义。
图2是示出根据本发明的一个实施例的超材料的剖视图。
参考图2A，对应于电磁波滤波器的元件的超材料210包括膜211和衬底212。这里，超材料210是在衬底212上形成包括凹雕形槽的膜211的结构。
优选地，包括布置成形成旋转对称图案并且图案化为凹雕形状的一组槽的膜211设置在衬底212上，并且膜211可以由金、银、铜或铝形成。优选地，衬底212可以由石英、硅、蓝宝石或玻璃形成。
可选地，参考图2B，对应于电磁波滤波器的元件的超材料220还可以包括膜221和衬底222，并且也可以具有在衬底222上形成仅包括凸雕结构的膜221的结构。
优选地，包括凸雕、图案化且布置成形成旋转对称图案的一组结构的膜221设置在衬底222上，并且膜221可以由金、银、铜或铝形成。优选地，衬底222可以由石英、硅、蓝宝石或玻璃形成。
在下文中，将参照图3和图4更详细地描述用于电磁波滤波器的超材料210和220。
本发明涉及对应于电磁波滤波器的元件的超材料，并且根据本发明的超材料允许入射电磁波以预定水平透射而不受入射电磁波的偏振方向的影响，并且其特征在于包括在超材料中的槽或结构的阵列。
也就是说，尽管依据马吕斯定律，包括沿单一方向布置的槽的超材料的透射率根据入射电磁波的旋转角和偏振方向而急剧降低，但是包括以特定的旋转对称图案布置的槽或结构的根据本发明的超材料的透射率可以在不受入射电磁波的旋转角和偏振方向的影响的情况下得以维持。
另外，这样的超材料的各种光学应用可以通过利用在槽或结构表面上局部出现的电磁波的放大现象来实现，并且由此可以开发各种元件。具体而言，根据本发明的超材料可以用于利用由电磁波引起的氧化钒(VO2)的金属-绝缘体转变现象的光学调制器，可以用于基于光强度的增加来增强非线性光学过程，并且可以用于实现高灵敏度和高选择性的传感器元件以通过增加吸收截面并根据目标材料优化超材料来检测痕量物质。
本发明的超材料210和220可以形成为使得在衬底212和221上形成膜211和222，这些膜包括形成以凹雕形状凸雕并图案化的特定图案的多组矩形槽和结构，以下主要描述在膜211中形成的为特定旋转对称图案的一组槽。这里，在包括形成为特定图案的一组结构的膜221被设置在衬底222上的情况下，以下槽的相同描述可以应用于这种情况。
图3是示出根据本发明的一个实施例的在用于电磁波滤波器的超材料上图案化的图案的视图，并且图4是示出根据本发明的另一个实施例的在用于电磁波滤波器的超材料上图案化的图案的视图。
在图3和4所示的超材料中，可以确定包括在超材料中的矩形槽的角度，使得基于入射在膜211上的电磁波的偏振的透射率受到控制，即根据入射在膜211上的电磁波的偏振的透射率和反射率具有基于膜211的旋转的预定值。
在一个实施例中，参考图3，矩形槽可以形成为蜂窝结构图案，所述蜂窝结构图案包括相对于垂直方向以0°、120°和240°的角度
Figure BDA0001475057510000051
布置的槽。在另一个实施方案中，参照图4，矩形槽可以形成为叶绿体分子结构的图案，所述叶绿体分子结构的图案包括布置为以特定角度布置的五边形形状和六边形形状的槽。
优选地，图3和4中所示的所有图案是旋转对称图案，并且除了图3和图4所示的图案的示例之外的各种旋转对称图案可以应用于根据本发明的超材料。在此，在槽形成凹雕形状的情况下，可以在形成于衬底212上的膜211中形成槽孔，并且在膜221被凸雕并图案化以成为结构型膜的情况下，结构型膜221可以布置在衬底222上。
更具体地，根据马吕斯定律，包括单个矩形槽的超材料的透射率基于T(θ)＝T(0)cos2θ而变化，并且当像本发明的超材料那样以矩阵形状的旋转对称图案来图案化矩形槽时，即，当通过将360°分为n份而使矩形槽均匀布置时，阵列中的第mth个矩形槽的透射率由以下等式1确定。
[等式1]
Figure BDA0001475057510000061
这里，T(θ)是当槽和入射偏振之间的角度是θ时的透射率，n是360°的被分割的数量，m是当360°被均匀地分成n份时在对应的阵列中包括的槽的序列号。
如上所述，当超材料形成为将通过将360°分为n份而使矩形形状的槽均匀布置的单位单元被重复布置以形成旋转对称的图案时，每个单位单元的透射率是矩形形状的槽的透射率的总和，并且因此每个单元的透射率由下面的等式2表示。
[等式2]
Figure BDA0001475057510000062
也就是说，由于包括以旋转对称图案布置的矩形槽的超材料的透射率是常数，所以如等式2所示，根据角度的透射率不变。
另外，矩形槽的宽度w可以从数十纳米到数微米，其厚度可以从100纳米到1微米，其长度l可以为数十微米到数毫米，通过调整矩形槽的宽度w、厚度和长度l，可以设计用于宽带电磁波滤波器的超材料。也就是说，根据本发明的超材料可以形成为使得图案化为旋转对称图案的矩形槽可以针对待检测对象的共振频率进行优化。更具体地说，矩形槽的共振频率由下面的等式3确定。
[等式3]
Figure BDA0001475057510000063
这里，c是光速，L是槽的长度，neff是有效折射指数并且由包含在超材料中的材料决定。参考等式3，由于矩形槽的共振频率由包含在超材料中的材料的特性和槽的长度L限定，所以可以调整矩形槽的长度以产生目标共振频率。如等式2所述，通过调整图案化为旋转对称图案的矩形槽的长度，也可以确定根据本发明的图案化为旋转对称图案的矩形槽的共振频率，因为矩形槽的旋转不影响共振频率。
也就是说，几乎所有分子都具有固有模式(例如，在特定频率下的旋转、振动或分子间相互作用)，并且从红外范围到太赫兹范围广泛分布，光谱学分析的基本原理是使用具有各种波或频率的电磁波来检测材料的固有模式。根据本发明，通过调整矩形槽的长度，可以设计在与要检测的生物化学物质的固有模式(例如，特定波长或频率)匹配的频率下独立于旋转角而共振的超材料。然后，当使用超材料进行光谱学分析时，具有可以以非常高的灵敏度和选择性检测特定分子的效果。
优选地，由于在图3和图4所示的超材料的槽周围出现强电磁波的放大现象，并且在根据本发明的蜂窝结构图案和叶绿体分子结构图案中，其透射率是通过由单个槽开放的区域所预期的光的透射率的7.2倍和5.0倍，根据本发明，可以在槽周围诱发比常规电磁波强的电磁波。
也就是说，由于形成有图3和图4所示的槽的图案使得槽以不同的角度布置，所以根据入射的电磁波的偏振方向在槽处可能出现的透射率的降低在槽之间得到补偿，并且整个超材料的透射率和反射率相对于电磁波的偏振方向和超材料的旋转是恒定的。
参照图3和图4的以上描述也适合于如图2A所示的在膜211中形成以凹雕形状图案化的矩形槽的情况，并且也可以将相同的描述应用于如图2B所示的在膜221上凸雕并图案化矩形结构的情况。
图5是示出了根据由超材料形成的电磁波滤波器的旋转角的电磁波的透射光谱的图片，并且图6是示出了根据由超材料形成的电磁波滤波器的旋转角的电磁波的透射效率的变化的曲线图。
在约0.8THz的电磁波入射到包括沿单一方向布置的槽(或结构)或单个槽(或结构)的超材料上的情况下，在图5A中示出基于超材料的电磁波滤波器的透射光谱。参考图5A以及图6所示的图上表示的黑色矩形，可以看出，当槽(或结构)(即，超材料)的旋转角是0°时，基于包括沿单个方向布置的槽(或结构)或单个槽(或结构)的超材料的电磁波滤波器的透射率非常高，但是随着超材料的旋转角增大到30°和60°，其透射率逐渐降低，并且当透射率为90°时，透射率为零。这里，当旋转角是0°时，该角度被设定为使包括单个槽(或结构)的超材料的透射率最大化的角度。例如，在槽的形状为纵长并且该槽上面入射线性偏振的并与槽的长度方向垂直的光的情况下，将旋转角设定为0°，并且在结构的形状为纵长并且该结构上面入射与该结构的长度方向平行的线性光的情况下，将旋转角设置为0°。
在0.8的电磁波入射到包括根据本发明的以旋转对称图案布置的一组槽(或结构)的超材料上的情况下，在图5B中示出基于超材料的电磁波滤波器的透射光谱。参考图5B和在曲线图上表示的红色星号，可以看出，即使当槽(结构)的旋转角(即，超材料的旋转角)在0°、30°、60°、90°等之间变化时，基于包括以旋转对称图案布置的一组槽(或结构)的超材料的电磁波滤波器的透射率也维持恒定。
也就是说，虽然基于包括沿单个方向布置的槽(或结构)或单个槽(或结构)的超材料的电磁波滤波器的透射率根据超材料的旋转角急剧变化，但是基于根据本发明的超材料(即，包括被布置成图案化为旋转对称图案的一组槽(结构)的超材料)的电磁波滤波器具有如下效果：透射率即使当超材料旋转时也保持在预定水平而不受影响。
因此，由于使用根据本发明的超材料的电磁波滤波器具有包括超材料的旋转对称布置的槽(结构)的结构，因此可以通过槽(结构)的相互补偿来实现恒定透射操作或反射操作的特性，并且由于抑制了超材料的旋转和入射偏振的特性，所以可以消除当使用超材料的电磁波滤波器时可能出现的误差。
如上所述，存在这样的效果：超材料可用于使用电磁波滤波器中包含的超材料的槽周围局部诱发的电磁波的放大而进行的高灵敏度感测，并且通过抑制根据超材料的旋转角而引起的电磁波的透射效率的变化并且使在使用电磁波滤波器的实验或测量期间可能发生的误差最小化，可以最大化检测痕量材料的有用性。
另外，由于可以通过在纳米至微米的范围内调整包含在超材料中的槽的长度，频率特性可以在宽范围内变化，并且根据槽的宽度调整电磁波的放大率，所以具有超材料能够多样化地应用于面向对象的设计的效果。特别是当与常规分光分析相比时，由于通过放大电磁波而引起的量子力学吸收截面增加的现象，可以将灵敏度提高到高水平，所以具有这样的效果：可以将该超材料用作通过对待检测对象的共振频率进行优化的槽来检测并分析痕量材料的元件。
另外，在高度灵敏的、感测痕量材料的以及基于沿单个方向布置的槽结构所产生的强电磁波的放大效应而工作的感测芯片中，由于通过防止作为常规结构的一个弱点的测量误差，仅能够精确地光学检测测量样本的特性的变化，因此具有可以将该超材料应用于各种领域的效果。
尽管已经描述了根据本发明的用于电磁波滤波器的超材料的示例性实施例，但是本发明不限于此，并且可以在所附权利要求书、详细描述和附图中进行各种修改和制造，本发明也包括这些修改。
[附图标记]
210和220：超材料
211和221：膜
212和222：衬底

Claims (3)

1.一种用于电磁波滤波器的超材料，所述超材料包括：
衬底；和
设置在所述衬底上的膜，
其中，所述膜形成为使得被布置为形成旋转对称图案的一组槽被图案化为凹雕形状或被布置为形成旋转对称图案的一组结构被凸雕并且图案化，以根据入射到所述膜上的电磁波的偏振来控制透射率，
其中，确定所述槽或所述结构的阵列角度，使得根据入射到所述膜上的电磁波的偏振的所述超材料的透射率和反射率具有恒定的值，
其中，所述槽或所述结构形成叶绿体分子结构图案，在所述叶绿体分子结构图案中，所述槽或所述结构被布置为五边形形状和六边形形状，或者
其中，所述槽或所述结构形成蜂窝结构图案，在所述蜂窝结构图案中，所述槽或所述结构相对于垂直方向以0°、120°和240°布置。
2.根据权利要求1所述的超材料，其中，所述衬底由石英、硅、蓝宝石或玻璃形成。
3.根据权利要求1所述的超材料，其中，所述膜由金、银、铜或铝形成。
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