CN108363198A - 一种气压驱动的太赫兹超材料调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压驱动的太赫兹超材料调制器。调制器由两个相互平行的超材料密封构成。这两个超材料具有相同的金属谐振结构分布周期和分布方向。使用气压可以调节它们之间的距离，从而改变谐振结构间的耦合状态，从而实现目标频率太赫兹波的调制。本发明公布的调制器虽然加工工艺简单，但是依然具有较高的调制幅度和较宽的有效频段。本发明可以应用于微波段、太赫兹波段。

Description

一种气压驱动的太赫兹超材料调制器

技术领域

本发明涉及一种使用气体压力进行驱动的太赫兹波段超材料调制器，属于人工超材料和电磁波调制技术领域。

背景技术

由亚波长周期性结构构成的人工超材料为太赫兹波调制器的设计提出了一条全新的方向。多种基于超材料的太赫兹调制器已经在通信、成像等领域得到验证。

按照原理不同，可调超材料可分为材料调节和重构调节两类。材料调节，如光控半导体方案、电动石墨烯方案、温控氧化钒方案、温控超导材料方案等，都是利用天然材料介电常数的可调节实现超材料调制器的调节。因此其调节性能受到材料性能的限制。重构调节是将超材料谐振单元加工成相互耦合的固定和可动两部分，利用两者的位置变化实现对目标频率电磁波的调制。由于可由人工设计和优化谐振单元，重构方式的调节能力较高。

按照驱动方式不同，重构调节又分为机械驱动、静电驱动、磁力驱动和气压驱动等。其中气压驱动方式要求使用弹性材料将可动部分和固定部分相连，同时设计气路，使增加气压时，气体压力克服弹力另可动部分移动，减小气压时，弹力另可懂部分恢复原位。由于气压可正可负，谐振结构的可动部分也可双向运动，因而增加了超材料的调节范围。而且气动调节的驱动能力较强，均匀性好。但是目前的气动调节方案，同重构调节的其他方案一样，都需要使用复杂的多层MEMS工艺加工谐振单元的可动部分。而气动调节方案还需要设计气体通路，因而加工工艺更加复杂。

作为工艺简化，出现了将超材料谐振单元的两个部分加工在同一片柔性基底的方案。使用气压驱使柔性基底膨胀或收缩，从而改变两个部分的相对位置，完成超材料的调节。但是由于是加工在同一片柔性基底上，由基底变形引起的位置变动有限，因而减小了调节范围。同时为了维持各谐振单元的变化均匀，每个谐振周期都需要自己的支撑结构。而支撑结构和气体管路的加工依然复杂。

因此如何设计超材料结构，在实现调节功能的基础上，简化其加工工艺，是目前研究者所面临的一个难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，使用气压直接调整两片相互耦合的超材料的整体间距，从而实现目标频率太赫兹波的调制。

本发明提供了如下技术方案：一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于：包括第一超材料、第二超材料、密封圈和导管；所述密封圈位于所述第一超材料和所述第二超材料中间，所述导管穿过所述密封圈，所述第一超材料、所述第二超材料、所述密封圈和所述导管组成一个仅通过所述导管与外界连通的气室；所述第一超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一超材料和所述第二超材料中至少有一个采用柔性材料作为基底；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期和排布方向。

进一步地，所述密封圈的厚度均匀且必须小于在所述导管吸气造成所述气室处于负压状态时，所述第一超材料和所述第二超材料内凹高度之和，以保证所述第一超材料的中心区域和所述第二超材料的中心区域紧贴在一起。

进一步地，所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元能够相互耦合，且所述耦合对所述第一超材料和所述第二超材料的间距敏感。

进一步地，所述第一金属谐振单元分布在所述第一超材料朝向所述第二超材料的表面上；所述第二金属谐振单元分布在所述第二超材料朝向所述第一超材料的表面上。

使用时，利用导管将气室内的气体吸走造成负压状态，第一超材料的中心区域和第二超材料的中心区域相互紧贴，两者达到最强耦合状态。当利用导管给气室充气造成正压状态时，第一超材料的中心区域和第二超材料的中心区域相互远离，两者的耦合强度最弱。由耦合强度不同导致调制器对目标频率的太赫兹波透过率不同，从而实现调制操作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所提供的一种气压调节的太赫兹超材料调制器，极大地简化了加工工艺，降低了加工成本。由于使用气体压力直接改变两片超材料的间距实现调节效果，因而无需像目前通用的重构调节方案中需要为每个金属谐振器设计和加工微观尺寸的装配和支撑部件，只需要加工两片超材料然后进行宏观装配即可，极大地简化了加工工艺，降低了加工成本。

本发明所提供的超材料调制器，具有较大的位置调节范围。目前通用的调节方案都是在微观尺度直接调节金属谐振器相互耦合的两部分间的相对位置。由于受到金属谐振器本身尺寸和加工工艺的限制，其位置调节范围一般远远小于谐振器本身的尺寸。而本发明中，是通过调节基底的间距来实现谐振器相互耦合的两部分间相对位置的调整，调节不受谐振器尺寸限制，因而调节范围较大。

附图说明

图1为本发明气压驱动的太赫兹超材料调制器结构示意图；

图2为实施例1中金属谐振单元示意图（a）为第一金属谐振单元，（b）为第二金属谐振单元，（c）为两个超材料紧贴时，两个金属谐振单元的相对位置；

图3为实施例1中的调制器在负压状态和正压状态下的光谱响应曲线；

图4实施例1中的调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度；

图5为实施例2中金属谐振单元示意图（a）为第一金属谐振单元，（b）为第二金属谐振单元，（c）为两个超材料紧贴时，两个金属谐振单元的相对位置；

图6为实施例2中的调制器在负压状态和正压状态下的光谱响应曲线；

图7实施例2中的调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：

一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，包括第一超材料（1）、第二超材料（2）、密封圈（3）和导管（4）。密封圈（4）位于超材料（1）和（2）中间，导管（4）穿过密封圈（3），共同组成一个仅通过导管（4）与外界连通的气室。第一超材料（1）由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元（11）构成；第二超材料（2）由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成。两个超材料均选择厚度为12.5μm的聚酰亚胺柔性薄膜作为基底。第一金属谐振单元（11）和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期（p=200μm）和排布方向。

密封圈（3）是厚度为150μm密封胶圈。在显微镜下调整好第一超材料（1）和第二超材料的相位位置后，使用密封胶圈将两个超材料边缘密封，然后插入导管（4）即可完成此调制器的装配。因此此调制器的加工和装配非常简单，极大降低了重构调节超材料的加工成本。

第一超材料（1）基底和第二超材料基底的尺寸为50mm×50mm。气室处于负压状态时，两个超材料内凹高度之和远大于密封圈（3）的厚度，因此负压状态下两个超材料中心区域和大部分边缘区域都紧贴在一起。

为了进一步减小两个金属谐振单元的间距，增大耦合效果，装配时，第一金属谐振单元分布在第一超材料朝向第二超材料的表面上，第二金属谐振单元分布在第二超材料朝向第一超材料的表面上。

图2（a）所示为第一金属谐振单元（11）。它是U形开口谐振环，环外围的长和宽都为100μm，环的宽度为10μm。图2（b）所示为第二金属谐振单元。它是在U形开口环的底边中心添加一个缺口构成。环外围的长和宽都为100μm，环的宽度为10μm，缺口的宽度为10μm。图2（c）为气室处于负压状态，两个超材料相互紧贴时，第一金属谐振单元（11）和第二金属谐振单元的相对位置。此时两个金属谐振单元相互耦合，耦合后的光谱响应与两个独立的金属谐振单元都不相同。

使用时，将调制器垂直插入被调制的太赫兹波束中。利用导管将气室内的气体吸走造成负压状态，两个超材料相互紧贴，调制器的光谱响应曲线如图3实线所示。利用导管给气室充气造成正压状态，两个超材料相互远离，调制器的光谱响应曲线如图3中虚线所示。从图3中可以看出，两条频率响应曲线完全不同，令调制器在两个状态间切换，就可以达到调制效果。图4给出了此调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。从图4可知，此调制器在0-0.65 THz范围内具有两个有效频段，而且其调制幅度较高。在0.282-0.294 THz和0.408-0.438 THz两个频段内，调制幅度都大于90%。如此高的调制幅度得益于两个超材料相对位置的有效调节。气室处于正压状态时，两个超材料各自凸起，间距非常容易即可超过300μm，远大于两个金属谐振结构的尺寸，两个金属谐振结构的耦合几乎可以忽略不计。这种程度的调节是目前通用的在谐振结构尺寸进行相对位置调节的方案所不可能达到的。

虽然图3和图4都是采用有限元算法数值计算得到的理论结果，但是基于已经证实的有限元算法在电磁波仿真领域的有效性，上述理论结果在实际中是可以被验证的。另外，由于结构的限制，此调制器仅对偏振方向平行于U形结构底边的太赫兹波起作用。

实施例2：

一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，其基本结构与实施例1相同，同样是第一超材料（1）、第二超材料（2）、密封圈（3）和导管（4）组成一个仅通过导管（4）与外界连通的气室。第一超材料（1）和第二超材料均由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的金属谐振单元构成。两个超材料均选择厚度为12.5μm的聚酰亚胺柔性薄膜作为基底。第一金属谐振单元（11）和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期（p=150μm）和排布方向。

密封圈（3）是厚度为150μm密封胶圈。负压状态下两个超材料中心区域和大部分边缘区域都紧贴在一起。装配时，超材料有金属谐振单元的一面都朝向气室的方向。

图5（a）所示为第一金属谐振单元（11）。它是一段长100μm，宽为10μm的立方体金属条。图5（b）所示为第二金属谐振单元，它和第一金属谐振单元完全一样。图5（c）为气室处于负压状态，两个超材料相互紧贴时，第一金属谐振单元（11）和第二金属谐振单元的相对位置。虽然两个金属谐振单元完全一样，但是在装配时，两个金属谐振单元在立方体金属条长边的方向上错开了40μm。

气室为负压状态时，两个超材料相互紧贴，调制器的光谱响应曲线如图6实线所示。气室为正压状态时，两个超材料相互远离，调制器的光谱响应曲线如图6中虚线所示。从图6中可以看出，两条频率响应曲线完全不同，令调制器在两个状态间切换，就可以达到调制效果。图7给出了此调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。从图7可知，此调制器在0-1.3THz范围内具有两个有效频段，而且其调制幅度较高。在0.606-0.714 THz和0.866-1.080 THz两个频段内，调制幅度都大于90%。

虽然图6和图7都是采用有限元算法数值计算得到的理论结果，但是基于已经证实的有限元算法在电磁波仿真领域的有效性，上述理论结果在实际中是可以被验证的。另外，由于结构的限制，此调制器仅对偏振方向平行于金属条的太赫兹波起作用。

本发明中，金属谐振结构的材料可为金、银、铜、铝、镍、锌、钼、铁、镁等，本发明对此并不做限定。

综上可知，本发明的气体驱动的太赫兹超材料调制器虽然加工工艺简单，但是依然具有较高的调制幅度和较宽的有效频段。本发明可以应用于微波段、太赫兹波段。

Claims (4)

1.一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于：包括第一超材料、第二超材料、密封圈和导管；所述密封圈位于所述第一超材料和所述第二超材料中间，所述导管穿过所述密封圈，所述第一超材料、所述第二超材料、所述密封圈和所述导管组成一个仅通过所述导管与外界连通的气室；所述第一超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一超材料和所述第二超材料中至少有一个采用柔性材料作为基底；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期和排布方向。

2.根据权利要求1所述的气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述密封圈的厚度均匀且必须小于在所述导管吸气造成所述气室处于负压状态时，所述第一超材料和所述第二超材料内凹高度之和，以保证所述第一超材料的中心区域和所述第二超材料的中心区域紧贴在一起。

3.根据权利要求1所述的气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元能够相互耦合，且所述耦合对所述第一超材料和所述第二超材料的间距敏感。

4.根据权利要求1-3所述的气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述第一金属谐振单元分布在所述第一超材料朝向所述第二超材料的表面上；所述第二金属谐振单元分布在所述第二超材料朝向所述第一超材料的表面上。