CN108511918A - 基于超材料的电磁波非对称传输控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超材料的电磁波非对称传输控制器，包括，介质层、第一电磁材料层和第二电磁材料层；第一电磁材料层与第二电磁材料层的结构相同，第一电磁材料层镀附于介质层的第一表面；第二电磁材料层以第二电磁材料层的中心为旋转中心，围绕z轴平行线逆时针旋转90度，再围绕x轴平行线顺时针旋转180度后，镀附于介质层的第二表面；第一电磁材料层包括N*N个基本单元，且多个基本单元呈周期性排列；每个基本单元由一“L”型线和一非对称“U”型线组成，“L”型线和“U”型线的线宽相等；介质层的厚度为微米量级，电磁材料层的厚度为纳米量级。本发明提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，能够对太赫兹波实现有效非对称传输控制。

Description

基于超材料的电磁波非对称传输控制器

技术领域

本发明涉及电磁波传输控制领域，尤其涉及一种基于超材料的电磁波非对称传输控制器。

背景技术

太赫兹波通常是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，其波段位于毫米波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置。太赫兹波具有许多优越的特性，在物理和生命科学等基础学科以及安全探测、医学成像和通信技术等应用学科方向都具有重要的研究价值和应用前景。目前，由于大多数常规的自然材料与太赫兹波之间的相互作用较弱，不具备显著地电磁响应，导致了太赫兹器件和材料的缺乏，大大地限制了人们对太赫兹波的研究和利用。

超材料(Metamaterials)的出现推进了太赫兹波的研究发展。超材料是一种人工复合材料或复合媒介，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常物理特性，如负折射、异常的透射和反射、隐身斗篷等。超材料一般是由周期性排列的基本单元构成，其电磁特性主要取决于基本单元的几何结构，且基本单元的尺寸需远小于入射电磁波的波长。实践证明，超材料能够对太赫兹波的振幅、相位、偏振态和传播方向实现有效的控制，特别是手性超材料中非对称传输现象的研究吸引了越来越多的关注和深入研究。

但是，现有的电磁波传输控制器尚不能对电磁波特别是太赫兹波的传输方向进行有效地传输控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于超材料的电磁波非对称传输控制器，通过对电磁材料层的基本单元的结构进行改进，实现对太赫兹波的传输方向进行有效非对称传输控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超材料的电磁波非对称传输控制器，包括，介质层、第一电磁材料层和第二电磁材料层；

第一电磁材料层与第二电磁材料层的结构相同，第一电磁材料层镀附于介质层的第一表面；第二电磁材料层以第二电磁材料层的中心为旋转中心，围绕z轴平行线逆时针旋转90度，再围绕x轴平行线顺时针旋转180度后，镀附于介质层的第二表面，其中，介质层所在的平面与坐标系的xy平面平行，坐标系为右手坐标系，且第二电磁材料层到第一电磁材料层的方向为+z方向；

第一电磁材料层包括N*N个基本单元，且多个基本单元呈周期性排列；

每个基本单元由一“L”型线和一非对称“U”型线组成，“L”型线包括相互垂直设置的第一连接边和第二连接边，第一连接边的长度大于第二连接边的长度；“U”型线包括第三连接边、第四连接边和第五连接边，第三连接边与第五连接边纵向平行，且第四连接边垂直连接第三连接边和第五连接边的下端部，第三连接边的长度小于第五连接边的长度；“L”型线的第一连接边位于“U”型线的第三连接边的正上方，且“L”型线的第二连接边垂直插入“U”型线的开口位置；

“L”型线和“U”型线的线宽相等；

介质层的厚度为微米量级，第一电磁材料层和第二电磁材料层的厚度为纳米量级。

进一步地，介质层的材质为聚酰亚胺。

进一步地，第一电磁材料层和第二电磁材料层的材质相同，为铜，金或铝。

进一步地，“L”型线和“U”型线的线宽均为w＝10μm；

介质层的厚度t＝24μm；第一电磁材料层和第二电磁材料层的厚度t_m＝200nm；

第一连接边的长度为4w；第二连接边的长度为3.5w；第三连接边的长度为3.5w；第四连接边的长度为5w；第五连接边的长度为5w；第一连接边与第三连接边的纵向间隔为0.5w；

基本单元的排列周期为6w。

本发明提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，对电磁材料层的基本单元的结构进行改进，将手性概念融入到双层超材料的设计中，打破了超材料结构在太赫兹波的传输方向上的对称性，导致电场和磁场在介质层中产生强烈的交叉耦合，实现太赫兹波的正交偏振转化，使得手性超材料具有非对称传输特性，针对特定偏振电磁波具有正向导通反向截止功能，有效地控制了太赫兹波的传输，即，实现对太赫兹波的传输方向进行有效非对称传输控制。

本发明的有益效果为：

1、适用更宽的频谱范围，能够对多频段的电磁波进行非对称传输控制；

2、良好的非对称传输效应，可广泛应用于光隔离器、光二极管等；

3、器件体积小，结构简单，易于制备，可降低制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器的结构图；

图2是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器的基本单元的结构立体图；

图3是本发明实施例提供的第一电磁材料层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第二电磁材料层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的基本单元的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的基本单元的尺寸结构示意图；

图7是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器针对-z方向的入射偏振光的偏振效果图；

图8是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器针对+z方向的入射偏振光的偏振效果图；

图9是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器的电磁波传输控制效果定量分析图；

图10是本发明实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器的电磁波传输控制效果的又一定量分析图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例一

结合图1，本实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，包括，介质层1、第一电磁材料层2和第二电磁材料层3；

结合图2，第一电磁材料层2与第二电磁材料层3的结构相同，如图3所示地，第一电磁材料层2镀附于介质层1的第一表面；如图4所示地，第二电磁材料层3以第二电磁材料层3的中心为旋转中心，围绕z轴平行线逆时针旋转90度，再围绕x轴平行线顺时针旋转180度后，镀附于介质层1的第二表面，其中，介质层1所在的平面与坐标系的xy平面平行，坐标系为右手坐标系，且第二电磁材料层3到第一电磁材料层2的方向为+z方向；

第一电磁材料层2包括N*N个基本单元4，且多个基本单元4呈周期性排列；

如图5所示地，每个基本单元4由一“L”型线和一非对称“U”型线组成，“L”型线包括相互垂直设置的第一连接边21和第二连接边22，第一连接边21的长度大于第二连接边22的长度；“U”型线包括第三连接边23、第四连接边24和第五连接边25，第三连接边23与第五连接边25纵向平行，且第四连接边24垂直连接第三连接边23和第五连接边25的下端部，第三连接边23的长度小于第五连接边25的长度；“L”型线的第一连接边21位于“U”型线的第三连接边23的正上方，且“L”型线的第二连接边22垂直插入“U”型线的开口位置；

“L”型线和“U”型线的线宽相等；

介质层1的厚度为微米量级，第一电磁材料层和第二电磁材料层的厚度均为纳米量级。

本发明提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，对电磁材料层的基本单元4的结构进行改进，将手性概念融入到双层超材料的设计中，打破了超材料结构在太赫兹波的传输方向上的对称性，导致电场和磁场在介质层1中产生强烈的交叉耦合，实现太赫兹波的正交偏振转化，使得手性超材料具有非对称传输特性，针对特定偏振电磁波具有正向导通反向截止功能，有效地控制了太赫兹波的传输，即，实现对太赫兹波的传输方向进行有效非对称传输控制。本实施例提供的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，实质为基于交叉S型超材料结构的太赫兹波电磁二极管，具有正向导通反向截止功能。

优选地，介质层1的材质为聚酰亚胺。本实施例中，介质层1位于双层人工电磁材料之间，采用聚酰亚胺(polyimide)或性能相近的介质材料，其厚度为微米量级，且介质层1的用途为支撑双层人工电磁材料层。

进一步优选地，第一电磁材料层2和第二电磁材料层3的材质相同，为铜，金或铝。本实施例中，人工电磁材料层采用金、铝等金属材料制成，且人工电磁材料层通过刻蚀覆于介质层1上下表面，其厚度为纳米量级，两层电磁材料层的基本单元4具有相同的物理形状，且基本单元4的排列周期为微米量级。

进一步优选地，如图6所示地，“L”型线和“U”型线的线宽均为w＝10μm；

介质层1的厚度t＝24μm；第一电磁材料层2和第二电磁材料层3的厚度t_m＝200nm；

第一连接边21的长度为4w；第二连接边22的长度为3.5w；第三连接边23的长度为3.5w；第四连接边24的长度为5w；第五连接边25的长度为5w；第一连接边21与第三连接边23的纵向间隔为0.5w；

基本单元4的排列周期为6w。

本实施例中，可以通过调节基本单元4的尺寸来实现对不同电磁波的控制，且当“L”型线和“U”型线的线宽均为w＝10μm；介质层1的厚度t＝24μm；第一电磁材料层2和第二电磁材料层3的厚度t_m＝200nm；第一连接边21的长度为4w；第二连接边22的长度为3.5w；第三连接边23的长度为3.5w；第四连接边24的长度为5w；第五连接边25的长度为5w；第一连接边21与第三连接边23的纵向间隔为0.5w；基本单元4的排列周期为6w时，能够对太赫兹波实现非对称传输控制。

实施例二

本实施例中，当基本单元4的尺寸为适合对太赫兹波进行传输控制时，基于超材料的电磁波非对称传输控制器的工作原理说明如下。

如图7所示地，为电磁波非对称传输控制器设置一个xyz坐标轴作为工作平台，z轴垂直于电磁波非对称传输控制器的表面。如图7所示，x方向偏振的线偏振光6沿-z方向垂直入射到上述电磁波非对称传输控制器表面后，交叉偏振输出光为7；令x方向偏振的线偏振光6沿+z方向垂直入射到上述电磁波非对称传输控制器表面后，此时入射到电磁波非对称传输控制器上的线偏振光6的交叉偏振输出光为8，结合图7和图8，透射光7和8的强度存在明显差别，说明此超材料器件针对x方向偏振的线偏振光具有正向导通反向截止的特性，可类比于二极管的功能，且此时，本实施例中的电磁波非对称传输控制器为太赫兹电磁二极管。

太赫兹电磁二极管的太赫兹波能量透过率用表示，下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振态，上标f和b分别代表沿-z和+z传输的情况(注：表示沿+z传输的情况下，输入的x方向偏振光转化为y方向偏振输出光的系数，且表示沿-z传输的情况下，输入的x方向偏振光转化为y方向偏振输出光的系数，和以此类推)。电磁波非对称传输控制器在沿+z和-z方向传输的交叉偏振能量输出曲线如图9所示，从图9中可知，和的曲线重叠(或和的曲线重叠)，即，(或)。此外，需要说明的是，本实施例中，太赫兹电磁二极管对x方向和y方向偏振的线偏振光均适用，即，能够对x方向和y方向偏振的线偏振光进行传输控制。

本实施例中，电磁波非对称传输控制器性能的优劣可以通过非对称传输系数Δ^x和Δ^y来衡量，其反映非对称传输效应的强弱，Δ^x和Δ^y的定义如下：

从图10可以看出，在0.69THz、1.01THz和1.77THz频率处，两种偏振光(x方向偏振光和y方向偏振光)非对称传输系数最高，分别为66％、68％和53％。在这三个频段内，超材料器件具有良好的单向导通特性，且对x方向或y方向偏振的线偏振光均适用，可应用于电磁二极管或光开关等领域。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (4)

1.一种基于超材料的电磁波非对称传输控制器，其特征在于，包括：介质层、第一电磁材料层和第二电磁材料层；

所述第一电磁材料层与所述第二电磁材料层的结构相同，所述第一电磁材料层镀附于所述介质层的第一表面；所述第二电磁材料层以所述第二电磁材料层的中心为旋转中心，围绕z轴平行线逆时针旋转90度，再围绕x轴平行线顺时针旋转180度后，镀附于所述介质层的第二表面，其中，所述介质层所在的平面与坐标系的xy平面平行，所述坐标系为右手坐标系，且所述第二电磁材料层到所述第一电磁材料层的方向为+z方向；

所述第一电磁材料层包括N*N个基本单元，且多个基本单元呈周期性排列；

每个所述基本单元由一“L”型线和一非对称“U”型线组成，所述“L”型线包括相互垂直设置的第一连接边和第二连接边，所述第一连接边的长度大于所述第二连接边的长度；所述“U”型线包括第三连接边、第四连接边和第五连接边，所述第三连接边与所述第五连接边纵向平行，且所述第四连接边垂直连接所述第三连接边和所述第五连接边的下端部，所述第三连接边的长度小于所述第五连接边的长度；所述“L”型线的所述第一连接边位于所述“U”型线的所述第三连接边的正上方，且所述“L”型线的所述第二连接边垂直插入所述“U”型线的开口位置；

所述“L”型线和所述“U”型线的线宽相等；

所述介质层的厚度为微米量级，所述第一电磁材料层和所述第二电磁材料层的厚度均为纳米量级。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，其特征在于，所述介质层的材质为聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，其特征在于，所述第一电磁材料层和所述第二电磁材料层的材质相同，为铜，金或铝。

4.根据权利要求1所述的基于超材料的电磁波非对称传输控制器，其特征在于，所述“L”型线和所述“U”型线的线宽均为w＝10μm；

所述介质层的厚度t＝24μm；所述第一电磁材料层和所述第二电磁材料层的厚度均为t_m＝200nm；

所述第一连接边的长度为4w；所述第二连接边的长度为3.5w；所述第三连接边的长度为3.5w；所述第四连接边的长度为5w；所述第五连接边的长度为5w；所述第一连接边与所述第三连接边的纵向间隔为0.5w；

所述基本单元的排列周期为6w。