CN108615979A - 一种太赫兹吸收器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹吸收器及其控制方法。所述太赫兹吸收器由下往上依次包括金属板底层、电介质层和微结构层；所述微结构层包括至少两种不同尺寸的环形结构，所述环形结构由金属带和光敏材料带首尾相接所构成。所述控制方法为采用激光对器件表面进行区域选择性的照射，通过简单的光控，既可以实现对器件吸收的开关控制，又可以实现不同频段的切换吸收以及同时多频段吸收。

Description

一种太赫兹吸收器及其控制方法
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹吸收器及其控制方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(1THz＝1012Hz，波长为3000μm～30μm)范围内的电磁波。它在电磁波谱中处于一个很特殊的位置：长波方向与毫米波(亚毫米波)相重叠，其主要涉及电子学范畴；短波方向与红外线相重叠，其主要涉及光子学范畴。但受技术上的限制，对太赫兹波的相关研究却大大落后于毫米波和红外线，这使得它成为目前电磁波谱中有待全面研究的最后一个频率窗口，被称为“THz空隙”(THz Gap)。
太赫兹波与X射线相比有很大的优势，将成为研究各种物质，特别是生命物质强有力的工具。THz波长比微波小1000倍以上，所以其空间分辨率很高，可用于如信息科学方面高的空间和时间分辨率成像、信号处理、大容量数据传输、宽带通信。此外在材料评价、分层成像、生物成像、等离子体聚变诊断、天文学及环境科学，甚至是毒品检测、武器搜查和军事情报收集等方面也都有着广阔的应用前景。
在太赫兹技术应用过程中来说，能够对其进行控制和调节是极为关键的一步，对于一个即定尺寸的电磁超材料而言，要改变其工作频率是不容易的，也是极为不方便的，而用光敏材料来实现太赫兹功能器件有着显著的优势，能够利用热、磁、光、电等手段方便的进行主动控制。现有技术中，有的可以通过结构性质实现多频段吸收，但却无法改变所吸收的频段；有的可以通过材料属性来调谐可吸收的频段，但无法通过简单的控制来关闭吸收或者同时多频段吸收。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种太赫兹吸收器，其通过简单的光控，既可以进行不同频段的切换吸收，又可以关闭吸收或者同时多频段吸收。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种太赫兹吸收器，由下往上依次包括金属板底层、电介质层和微结构层；所述微结构层包括至少两种不同尺寸的环形结构，所述环形结构由金属带和光敏材料带首尾相接所构成。
相对于现有技术，本发明器件的表面采用金属带和光敏材料带围成不同尺寸的环形结构，每种环形结构可吸收特定频段的太赫兹波，采用激光对器件表面进行区域选择性的照射，可以实现对器件的开关控制及频率响应特性的调节。
进一步地，所述环形结构中，金属带的长度大于光敏材料带的长度。
进一步地，所述金属带与光敏材料带的长度比为(10～30):1。
进一步地，所述金属带的材料为Cu、Al、Au、Ag中的一种。
进一步地，所述光敏材料带的材料为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的一种。
进一步地，所述金属带的宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm。
进一步地，所述光敏材料带的长度为1.8～2.1μm，宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm。
进一步地，所述电介质层的厚度为7.8～8.1μm。
进一步地，所述金属板底层的厚度为0.2～0.5μm。
本发明还提供了一种所述太赫兹吸收器的控制方法，当太赫兹波入射所述太赫兹吸收器表面，对所述太赫兹吸收器的微结构层区域不进行激光照射，所述太赫兹吸收器实现至少两个频段的太赫兹波吸收；采用激光对所述太赫兹吸收器的微结构层区域进行整体照射，所述太赫兹吸收器关闭对于太赫兹波的吸收；采用激光对所述太赫兹吸收器的微结构层区域进行部分选择性照射，所述太赫兹吸收器实现对于不同频段的太赫兹波的选择性吸收。
相对于现有技术，本发明采用激光对器件表面进行区域选择性的照射，通过简单的光控，既可以实现对器件吸收的开关控制，又可以实现不同频段的切换吸收以及同时多频段吸收。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例1的太赫兹吸收器的表面结构示意图。
图2为实施例1的太赫兹吸收器的横截面结构示意图。
图3为实施例1的太赫兹吸收器在不同光照区域下的吸收曲线图。
图4为实施例1的太赫兹吸收器在不同光照范围下的吸收曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种太赫兹吸收器，其为一种结构简单紧凑，性能调谐新颖，开关可控的太赫兹吸收器。所述太赫兹吸收器由下往上依次包括金属板底层、电介质层和微结构层；所述微结构层包括至少两种不同尺寸的环形结构，所述环形结构由金属带(线)和光敏材料带(线)首尾相接所构成，每种环形结构形成闭合的谐振环，可吸收特定频段的太赫兹波。
所述环形结构可具有任何几何形状，如圆形、方形、三角形等。其中，金属带的长度大于光敏材料带的长度，优选的，所述金属带与光敏材料带的长度比为(10～30):1。所述金属带的材料优选为Cu、Al、Au、Ag中的一种。所述光敏材料带的材料优选为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的一种。器件的各尺寸参数优选为：所述金属带的宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm；所述光敏材料带的长度为1.8～2.1μm，宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm；所述电介质层的厚度为7.8～8.1μm；所述金属板底层的厚度为0.2～0.5μm。
所述太赫兹吸收器的控制方法为：当太赫兹波从器件表面垂直入射时，在没有外加激光对器件表面垂直照射的情况下，所述器件将在至少两个频段对太赫兹波进行吸收；当采用激光对器件表面整体完全照射时，器件中光敏材料的电导率增大，环形结构几乎被短路，没有发生共振吸收效应；而当激光只选择性照射器件表面的其中一个环形结构区域时，该区域的光敏材料的电导率增大，使得该环形结构失去吸收作用，未被照射的其它环形结构对太赫兹波进行选择性吸收。由此，实现了一种可控的太赫兹吸收器。
下面将结合附图、实施例及数值模拟测试结果详细说明本发明。
实施例1
请同时参阅图1和图2，其中，图1为本实施例的太赫兹吸收器的表面结构示意图，图2为本实施例的太赫兹吸收器的横截面结构示意图。所述太赫兹吸收器由下往上依次包括金属板底层1、电介质层2和微结构层3；所述微结构层3包括两种不同尺寸的环形结构，所述环形结构由金属带31和光敏材料带32首尾相接所构成，每个环形结构中的金属带31的长度大于光敏材料带32的长度。
本实施例中，所述金属板底层1和金属带31使用的材料都为金，其电导率为4.09×107S/m。所述电介质层2为蓝宝石介质层，介电常数为10.5+j0.004。所述光敏材料带32使用的材料为半导体硅，在没有外加激光加载的情况下，硅的电导率默认为1S/m，在外加激光照射下，硅的电导率发生变化，可以达到1×106S/m。
本实施例中，所述微结构层的整体形状为长方形，由四个长方形的环形结构组成，位于上方的两个环形结构的尺寸大于位于下方的两个环形结构，从而形成上下两个不同尺寸的谐振环。具体的，该器件的尺寸参数为：a＝33.3μm、b＝23.3μm、h1＝20.7μm、h2＝8.7μm、w＝2μm、g＝2μm、t1＝0.5μm、t2＝8μm。其中，a表示电介质层2的宽度，b表示微结构层3的宽度，h1和h2分别表示两种不同尺寸的环形结构的长度，w表示金属带31和光敏材料带32的宽度，g表示光敏材料带32的长度，t1表示金属板底层1、金属带31和光敏材料带32的厚度，t1表示金属板底层1、金属带31和光敏材料带32的厚度，t2表示电介质层2的厚度。
本实施例的器件控制方法如下：太赫兹波从微结构层3垂直入射，当一定强度的外加激光照射器件表面上半部分时，导致半导体硅32a和32b的电导率迅速增大到1×106S/m，使得上方的谐振环短路不能发生共振吸收，只有下方的谐振环吸收，此时特定频率的太赫兹波被吸收，如图3中实部曲线所示，可以看出频率为1.78THz的太赫兹波吸收率可达90％以上；当外加激光照射区域切换到器件表面下半部分时，半导体硅32c和32d的电导率同样迅速增大到1×106S/m，使得下方的谐振环短路无法发生共振吸收，只有上方的谐振环吸收，由于上下方谐振环的结构尺寸不同，此时，另一个特定频率的太赫兹波被吸收，如图3中虚部曲线所示，可以看出频率为0.48THz的太赫兹波吸收率可达90％以上；当器件表面不加任何激光照射时，由于器件的上下方谐振环的结构尺寸各不相同，从而同时对以上两个不同频段的太赫兹波产生吸收，如图4中实部曲线所示，可以看出形成双峰吸收，并且都达到90％以上的吸收效果；而当激光照射整个器件表面时，内嵌的半导体硅32a、32b、32c和32d的电导率都增大到1×106S/m，表面的上下方谐振环都被短路，失去共振吸收效应，如图4中虚部曲线所示，器件几乎关闭了对此太赫兹波段的吸收。由此，形成了一种开关可控且吸收频率可调节的太赫兹吸收器。
相对于现有技术，本发明器件的表面采用金属带和光敏材料带围成不同尺寸的环形结构，每种环形结构可吸收特定频段的太赫兹波，采用激光对器件表面进行区域选择性的照射，通过简单的光控，既可以实现对器件吸收的开关控制，又可以实现不同频段的切换吸收以及同时多频段吸收。此外，本发明器件具有结构简单紧凑，制作方便，性能调谐新颖，满足太赫兹波成像、医学诊断、环境监测、军事隐身材料等领域应用要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹吸收器，其特征在于：由下往上依次包括金属板底层、电介质层和微结构层；所述微结构层包括至少两种不同尺寸的环形结构，所述环形结构由金属带和光敏材料带首尾相接所构成。
2.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述环形结构中，金属带的长度大于光敏材料带的长度。
3.根据权利要求2所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属带与光敏材料带的长度比为(10～30):1。
4.根据权利要求2所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属带的材料为Cu、Al、Au、Ag中的一种。
5.根据权利要求4所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述光敏材料带的材料为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的一种。
6.根据权利要求2所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属带的宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm。
7.根据权利要求6所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述光敏材料带的长度为1.8～2.1μm，宽度为1.8～2.1μm，厚度为0.2～0.5μm。
8.根据权利要求7所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述电介质层的厚度为7.8～8.1μm。
9.根据权利要求8所述的太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属板底层的厚度为0.2～0.5μm。
10.权利要求1～9任一所述的太赫兹吸收器的控制方法，其特征在于：当太赫兹波入射所述太赫兹吸收器表面，对所述太赫兹吸收器的微结构层区域不进行激光照射，所述太赫兹吸收器实现至少两个频段的太赫兹波吸收；采用激光对所述太赫兹吸收器的微结构层区域进行整体照射，所述太赫兹吸收器关闭对于太赫兹波的吸收；采用激光对所述太赫兹吸收器的微结构层区域进行部分选择性照射，所述太赫兹吸收器实现对于不同频段的太赫兹波的选择性吸收。
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