CN109037958B - 一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超材料及太赫兹波应用技术领域，提供了一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，目的是解决现有可调谐太赫兹波超材料吸收器频段单一，实现单频段和双频段吸收效果的任意切换。一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，包括上层图案化层、中间介质层和下层金属底板；所述上层图案化层由金属‑半导体硅谐振器周期平铺排列而成，所述金属‑半导体硅谐振器为方形环结构和十字形结构所组成的“田”字形结构，所述方形环结构四角和十字形结构顶端分别嵌入了半导体硅。本发明可实现双频段和单频段完美吸收效果的任意切换。

Description

一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器
技术领域
本发明属于超材料及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器。
背景技术
太赫兹（THz）波通常是指频率在0.1THz至10THz之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外光波之间，它具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、宽带高等特性，从而可以广泛应用于安全监测、生物医药、航空航天、通信等领域。近年来，太赫兹电磁波谱技术的研究开创了一个新的科学和技术研究领域，需要新型的多功能太赫兹材料和器件，电磁超材料是构建高性能太赫兹器件的解决方案之一。目前，在太赫兹波段已经研制出了基于超材料的探测器、调制器和吸收器等新型器件，这些器件填补了太赫兹波段应用上的一些空白。
电磁超材料是一种有人工亚波长周期结构的材料。超材料能够通过合理的设计获得自然界中的材料所不具备的奇异电磁特性，例如完美透镜、负折射和完美吸收等。通过调整其单元结构的形状、尺寸、排列方式、电介质基板的厚度和材料属性可分别调节电响应和磁响应，使超材料的阻抗和自由空间中的阻抗匹配，实现超材料对电磁波的完美吸收。然而，一般超材料吸收器工作频段单一，工作频率固定，在样品制成后由于结构的参数不可变从而频段和吸收率不可变，这在很大程度上限制了超材料吸收器的应用范围。目前已经提出了一些可调谐超材料吸收器的设计方案，通过外部热、电、光等激发方式来控制超材料吸收器的谐振频率和吸收率。到目前为止，这些可调谐吸收器仅能实现一个频段向另一个频段的切换，因此如何实现多个频段之间的切换对超材料的应用非常重要，提出新型的结构简单、易于加工的多波段可调谐太赫兹超材料吸收器显得尤为迫切。本发明设计了一种结构简单、易于制作、可在单频段和双频段之间任意切换的超材料吸收器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在不同光照强度下实现单频段和双频段吸收效果的任意切换。
本发明所采用的技术方案是：一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，包括上层图案化层（1）、中间介质层（2）和下层金属底板（3）；所述上层图案化层（1）由金属-半导体硅谐振器周期平铺排列而成，所述金属-半导体硅谐振器为方形环结构（4）和十字形结构（5）所组成的“田”字形结构，所述方形环结构（4）四角和十字形结构（5）顶端分别嵌入了半导体硅（6），在光照下，当半导体硅电导率小于等于1S/m时，方形环结构（4）和十字形结构（5）之间不导通，处于双频段完全吸收状态，当半导体硅电导率大于等于2×105 S/m时，方形环结构（4）和十字形结构（5）之间完全导通，处于单频段完全吸收状态，当半导体硅电导率大于1S/m小于2×105 S/m时，方形环结构（4）和十字形结构（5）之间处于不导通和完全导通的中间状态，实现双频段完全吸收状态和单频段完全吸收状态的切换，由于半导体硅电导率随光照强度增加而增加，该吸收器实现了不同光照强度条件下双频段完全吸收状态和单频段完全吸收状态的切换。
作为一种优选方式：所述方形环结构（4）和十字形结构（5）材料为金，所述方形环结构（4）和十字形结构（5）的厚度为0.35um～0.40um，所述方形环结构（4）的单根线长为74.5um～75.5um，所述方形环结构（4）的线宽为3.5um～4.5um，所述十字形结构（5）的单根线长为67.5um～68.5um，所述十字形结构（5）的线宽为6.5um～7.5um，所述半导体硅（6）的厚度为0.35um～0.40um，宽度与对应接口处方形环结构（4）或十字形结构（5）的线宽相同。
作为一种优选方式：所述中间介质层（2）的材料为聚酰亚胺，所述中间介质层（2）的厚度为4.75um～5.25um。
作为一种优选方式：所述下层金属底板（3）的材料为金，所述金属底板（3）的厚度为0.35um～0.40um。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，易于制造，通过光照强度改变半导体硅的状态，控制两个独立响应的共振器的断开或导通，实现单频段和双频段的完美吸收效果的任意切换，且具有极化不敏感、宽角度吸收特性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器的阵列示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器的单元结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为本发明实施例1提供的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器的吸收效果图。
图中，1-上层图案化层，2-中间介质层，3-金属底板，4-方形环结构，5-十字形结构，6-半导体硅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，该吸收器包括上层图案化层1、中间介质层2和下层金属底板3，其中图案化层1和下层金属底板3分别附于介质层2的正反两面。
该上层图案化层1是由若干金属-半导体硅谐振器周期平铺排列而成，且金属-半导体硅谐振器的晶格周期为97.5um～102.5um。该金属-半导体硅谐振器为方形环结构和十字形结构所组成的“田”字形结构，所述方形环结构四角和十字形结构顶端分别嵌入了半导体硅。
通过将不同强度的泵浦光照射到所述吸收器的表面能够改变半导体硅的电导率，使其吸收特性随着光照强度的不同产生显著的连续性变化，实现双频段和单频段完美吸收效果的任意切换。
所述方形环结构和十字形结构材料为金，所述方形环结构和十字形结构的厚度为0.40um，所述方形环结构的线长和线宽分别为75um和4um，所述十字形结构的线长和线宽分别为宽68um和7um。所述半导体硅的厚度为0.40um。所述半导体硅的电导率为1S/m～2×105S/m。所述中间介质层的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，损耗正切值为0.0027，厚度为5um；所述下层金属底板的材料为金，电导率为4.561×107S/m，厚度为0.40um。
将该实施例中的吸收器结构经CST Microwave Studio 2015频域求解器对太赫兹波的吸收率进行仿真。将仿真得到的反射参数S11和透射参数S21代入吸收率计算公式A=1-|S11|2-| S21|2，因底层使用了金属底板，故阻断了电磁波的传输，使得传输参数S21=0，吸收率的计算公式简化为A=1-| S11|2。
经过仿真计算得到的吸收率曲线如图4所示。结果显示，当光照能量较低时，此时的半导体硅电导率较小σSi=1S/m，该吸收器分别在1.072 THz处吸收率达到99.77%，在1.224THz处达到99.54% ，在这种情况下，设计的复合结构具有双频段完美吸收效果。随着半导体硅的电导率增大至5×103 S/m，两个频段处的吸收率均逐渐降低，直至减小到一个最小值34%；随后，继续增大半导体硅的电导率至2×105 S/m，在0.792 THz处的吸收率逐渐增强并达到最高的吸收率为94.77%，此时，所设计的吸收器具有单频段完美吸收效果。另外，由于设计的超材料单元结构具有四重旋转对称特性，因此具有极化角无关特性，并且在宽角度入射情况下仍具有良好的吸收特性。
本发明通过将响应在两个频段的十字形结构和方形环结构通过光敏半导体硅连接在一起，在不同强度的光照下半导体硅的电导率不同，使方形环结构和十字形结构在不导通和完全导通状态之间转换，实现了超材料吸收器的双频段和单频段之间的任意切换。该吸收器在太赫兹探测、光通信、生物医学、航空航天等领域具有潜在的应用价值。

Claims (4)

1.一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，其特征在于：包括上层图案化层（1）、中间介质层（2）和下层金属底板（3）；所述上层图案化层（1）由金属-半导体硅谐振器周期平铺排列而成，所述金属-半导体硅谐振器为方形环结构（4）和十字形结构（5）所组成的“田”字形结构，所述方形环结构（4）四角和十字形结构（5）顶端分别嵌入了半导体硅（6），在光照下，当半导体硅电导率小于等于1S/m时，方形环结构（4）和十字形结构（5）之间不导通，处于双频段完全吸收状态，当半导体硅电导率大于等于2×105 S/m时， 方形环结构（4）和十字形结构（5）之间完全导通，处于单频段完全吸收状态，当半导体硅电导率大于1S/m小于2×105 S/m时，方形环结构（4）和十字形结构（5）之间处于不导通和完全导通的中间状态，实现双频段完全吸收状态和单频段完全吸收状态的切换，由于半导体硅电导率随光照强度增加而增加，该吸收器实现了不同光照强度条件下双频段完全吸收状态和单频段完全吸收状态的切换。
2.根据权利要求1所述的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，其特征在于：所述方形环结构（4）和十字形结构（5）材料为金，所述方形环结构（4）和十字形结构（5）的厚度为0.35um～0.40um，所述方形环结构（4）的单根线长为74.5um～75.5um，所述方形环结构（4）的线宽为3.5 um～4.5um，所述十字形结构（5）的单根线长为67.5um～68.5um，所述十字形结构（5）的线宽为6.5um～7.5um，所述半导体硅（6）的厚度为0.35um～0.40um，宽度与对应接口处方形环结构（4）或十字形结构（5）的线宽相同。
3.根据权利要求1所述的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，其特征在于：所述中间介质层（2）的材料为聚酰亚胺，所述中间介质层（2）的厚度为4.75um～5.25um。
4.根据权利要求1所述的一种单/双频段可调谐太赫兹波超材料吸收器，其特征在于：所述下层金属底板（3）的材料为金，所述金属底板（3）的厚度为0.35um～0.40um。
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