CN109193175B - 一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，包括底层金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元由光控半导体硅贴片及金属贴片构成，包括位于介质基板中央的双臂螺旋结构及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构。该吸波器在TE波和TM波下均有很好的吸收效果，不同的电导率代表不同水平的光激发，所以当调节表面光控半导体硅的电导率可以对其吸收效果进行有效的调节，进而使其吸收率在90％以上的吸收频域几乎覆盖整个THz波段。本发明还具有结构简单，功能性强，吸收带宽极宽等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超宽带太赫兹吸波器，具体的说是一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，属于无线电通信、太赫兹器件领域。
背景技术
太赫兹泛指频率在0.1～100太赫兹波段内的电磁波，随着太赫兹技术的发展，一些微波器件的功能就得到了一定程度上的更新。一般的微波雷达在探测雷达截面很小的隐身兵器时往往效果不明显，所以，很长一段时间里，人们都对雷达隐身技术的研究没有什么进展。但是，处于电磁频谱过渡区域的太赫兹，由于其波长很短，且包含了丰富的频率，有很宽的带宽，可以用于探测更小的目标和更精确的定位，其作用大大超过了现有的隐身技术。所以太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。
传统意义上的太赫兹吸波器均是由单层复杂结构或者多层结构构成，且其吸收带宽一般达不到宽带吸收，在微波波段，我们可以通过加载集总电阻的方式来实现宽带吸收，但在太赫兹波段，集总电阻将失去其实际的作用，所以本发明通过使用半导体硅光控开关来解决这些问题，我们可以通过不同的电导率值来反映不同水平的光激发，从而达到模拟光电导半导体响应的目的。因为半导体硅具有很高的电阻率，所以通过调节其电导率，其电阻率会相应的变化，进而可以拓宽吸波器的吸收带宽。基于以上特点，本发明设计了一种基于光控开关的太赫兹吸波器，其可以通过在吸波器结构中加半导体硅光控开关来实现太赫兹波段的宽带吸收。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，通过在介质基板上设置光控半导体硅双臂螺旋结构和阶梯型金属贴片来实现在THz波段的极化不敏感超宽带吸收，并且通过不同的电导率值来反映不同水平的光激发，从而通过调控介质基板表面光控半导体硅的电导率来对该吸波器的吸收带宽进行一定的调节。
本发明提供一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，包括底层金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元由光控半导体硅贴片及金属贴片构成，包括位于介质基板中央的双臂螺旋结构及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构。
作为本发明的进一步技术方案，所述双臂螺旋结构具有两层，第一层置于所述介质基板表面，为逆时针旋转的表面双臂螺旋结构，其材料采用光控半导体硅贴片；第二层置于所述介质基板中，为顺时针旋转的里层双臂螺旋结构，其材料采用金属金。
进一步的，所述表面双臂螺旋结构的里外宽度为e 1 =1 μm，旋转的半径为r 1 =2 μm，旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p=7；里层双臂螺旋结构里外宽度为e=1 μm,旋转的半径为r=2 μm, 旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p 1 =4。
进一步的，所述里层双臂螺旋结构与底层金属反射板的距离是h 1 =5 μm。
进一步的，所述双Y形条状结构的数量为四个，且结构及其尺寸均相同，分别由两个Y形金属贴片及其中间的光控半导体硅贴片构成。
进一步的，所述双Y形条状结构中间的光控半导体硅贴片长度为l 1 =1.445 μm，宽度为b= 0.765 μm；所述Y形金属贴片的宽度由中间向外依次增大，呈阶梯形结构，所述阶梯形结构的长度由中间向外依次为a=2.55 μm, a 1 =1.7 μm, a 2 = 1.7 μm, a 3 =3.7 μm，且中间阶梯形结构的宽度为b= 0.765 μm。
进一步的，所述Y形金属贴片的宽度从中间向外依次为前一个宽度的1.5倍。
进一步的，所述Y形结构的末端呈V形，θ为V形夹角，所述V形夹角tanθ=8/3，相邻两个阶梯形结构之间的夹角表示为θ 1 ，且tanθ 1 =-3/4。
进一步的，所述吸波器通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率以代表不同水平的光激发，从而实现调节该吸波器的吸收带宽。
进一步的，所述底层反射板是金属金，所述介质基板是一种介电常数为1.28，损耗角正切为0.81的材料，光控半导体硅贴片的介电常数为11.9，电导率为1，金属金的电导率为45610000 S/m。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，可以通过不同的电导率值来代表不同水平的光激发，从而通过调节介质基板表面光控半导体硅材料的电导率来调节该吸波器的吸收带宽。
（2）本发明一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，通过在介质基板表面和里层设置双臂螺旋结构来实现在THz的极化不敏感超宽带吸收。
（3）本发明与传统的THz吸波器相比，其吸收带宽非常宽，几乎可以完全覆盖整个THz波段，并且该吸波器的结构简单，功能性很强。
附图说明
图1为本发明的结构示意正视图。
图2为本发明的介质基板内部谐振结构正视图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为本发明的里层双臂螺旋结构示意图。
图6为本发明的阵列（3×3）正视图。
图7为本发明在TE波和TM波下吸收曲线。
图8为本发明在不同电导率时TE波下的吸收曲线。
图9为本发明在不同电导率时TM波下的吸收曲线。
附图标记解释：5-介质基板，1、2-光控半导体硅，3、4-金属金，6-金反射板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本实施例提出了一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其结构如图1至图5所示，包括底层金属金反射板，所述的底层反射板上设置有介质基板，介质基板是一种介电常数为1.28，损耗角正切为0.81的材料，其介质基板上设置有光控半导体硅螺旋结构贴片、金属金贴片和金属贴片中间的光控半导体硅贴片，在介质基板内部设置有金属金螺旋结构，其光控半导体硅贴片的介电常数为11.9，电导率为1，金属金的电导率为45610000S/m。
该吸波器是由两层结构构成，其中介质基板表面是由上下左右对称的双Y形条状结构和一个五圈双臂螺旋结构构成，四个双Y形条状结构其大小和结构完全相同。此双Y形条状结构为上下对称结构，其中间是光控半导体硅材料，其长度为l 1 =1.445 μm,宽度为b=0.765 μm。末端“V”形结构的外角tanθ=8/3，双Y形条状结构中间到两边其长度依次为a=2.55 μm, a 1 =1.7 μm, a 2 = 1.7 μm, a 3 =3.7 μm, 最中间阶梯形结构的宽度为b= 0.765 μm, 从中间依次向外外层一个的宽度均为里层宽度的1.5倍, 相邻两个阶梯形结构之间的夹角可以表示为tanθ 1 =-3/4。双臂螺旋结构的里外宽度为e 1 =1 μm，旋转的半径为r 1 =2 μm,旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p=7。介质基板里层的双臂螺旋结构里外宽度为e=1 μm, 旋转的半径为r=2 μm, 旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p 1 =4，里层螺旋结构与底层金属板的距离是h 5 =5 μm。
其相关参数如表1所示。
| 参数 | <i>a</i> | <i>a</i><sub><i>1</i></sub> | <i>a</i><sub><i>2</i></sub> | <i>a</i><sub><i>3</i></sub> |
| 参数的值(μm) | 2.55 | 1.7 | 1.7 | 3.4 |
| 参数 | <i>b</i> | <i>e</i> | <i>e</i><sub><i>1</i></sub> | <i>l</i> |
| 参数的值(μm) | 0.765 | 1 | 1 | 48 |
| 参数 | <i>l</i><sub><i>1</i></sub> | <i>r</i> | <i>r</i><sub><i>1</i></sub> | <i>h</i> |
| 参数的值(μm) | 1.445 | 2 | 2 | 12 |
| 参数 | <i>h</i><sub><i>1</i></sub> | <i>w</i> | <i></i> | <i></i> |
| 参数的值(μm) | 5 | 0.1 | ||
| 参数 | <i>tanθ</i> | <i>tanθ</i><sub><i>1</i></sub> | <i></i> | <i></i> |
| 参数的值 | 8/3 | -3/4 | ||
| 参数 | <i>p</i> | <i>p</i><sub><i>1</i></sub> | ||
| 参数的值(times) | 7 | 4 |
表1。
图7是一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器当介质基板表面光控半导体硅的电导率为1时在TE波和TM波下的吸收曲线。由图7可知，在频域4.0998THz到110THz内，该吸波器的吸收率在90%以上，相对带宽达到了185.6%，且在频点5.469THz处，吸收率达到了99.98%，几乎达到了完美吸收，TE波和TM波的吸收曲线几乎达到了完美重合，所以该吸波器是极化不敏感的。
图8和图9分别是不同的电导率下该吸波器在TE波和TM波下的吸收曲线。由图8可知，当电导率σ=1 S/m和σ=10^2 S/m时，该吸波器的吸收率基本不变，当σ=10^5 S/m时，在吸波器的吸收频域内，在频域61.833THz到84.339THz内，该吸波器的吸收率低于90%，且在频点70.869THz处，其吸收率只有86.36%，当σ=10^6 S/m时，在频域9.7054THz到14.204THz和46.269THz到100THz，该吸波器的吸收率均在90%以下，且在频点52.23THz处，该吸波器的吸收率只有82.02%，当σ=10^7 S/m时，在频域8.1903THz到31.965THz和45.803THz到100THz，该吸波器的吸收率均在90%以下，且在频点52.666THz处，该吸波器的吸收率只有73.031%，当σ=10^8 S/m时，在频域8.1276THz到32.786THz和45.505THz到100THz，该吸波器的吸收率均在90%以下，且在频点52.993THz处，该吸波器的吸收率只有64.75%，不足70%。显然，通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率，对该吸波器的吸收率有很大的影响，且随着电导率的增加，该吸波器的吸收率逐渐减小，当电导率增加到一定值时，吸收率会发生显著的变化。所以我们可以通过调节半导体硅结构的电导率来代表不同水平的光激发，从而实现对该吸波器吸收率以及吸收带宽的调控。而且，如图8和图9所示，随着电导率的增加，该吸波器在TE波和TM波下的吸收曲线在相同状态下几乎达到了完美重合，即不论在什么状态下，该吸波器始终是极化不敏感的。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：包括底层金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元由光控半导体硅贴片及金属贴片构成，包括位于介质基板中央的双臂螺旋结构及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构；
所述双臂螺旋结构具有两层，第一层置于所述介质基板表面，为逆时针旋转的表面双臂螺旋结构，其材料采用光控半导体硅贴片；第二层置于所述介质基板中，为顺时针旋转的里层双臂螺旋结构，其材料采用金属金；
所述表面双臂螺旋结构的里外宽度为e 1 =1 μm，旋转的半径为r 1 =2 μm，旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p=7；里层双臂螺旋结构里外宽度为e=1 μm, 旋转的半径为r=2μm, 旋转圈数是5圈，外圈和内圈半径比例系数是p 1 =4。
2.根据权利要求1所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述里层双臂螺旋结构与底层金属反射板的距离是h 1 =5 μm。
3.根据权利要求1所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述双Y形条状结构的数量为四个，且结构及其尺寸均相同，分别由两个Y形金属贴片及其中间的光控半导体硅贴片构成。
4.根据权利要求3所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述双Y形条状结构中间的光控半导体硅贴片长度为l 1 =1.445 μm，宽度为b= 0.765 μm；所述Y形金属贴片的宽度为从距离所述光控半导体硅贴片最近的一端向外依次增大，呈阶梯形结构，所述阶梯形结构的长度由距离所述光控半导体硅贴片最近的一段向外依次为a=2.55 μm, a 1 =1.7 μm, a 2 = 1.7 μm, a 3 =3.7 μm，且由距离所述光控半导体硅贴片最近的一段的宽度为b= 0.765 μm。
5.根据权利要求4所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述Y形金属贴片的宽度由距离所述光控半导体硅贴片最近的一段依次为前一个宽度的1.5倍。
6.根据权利要求4所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述Y形条状结构的末端呈V形，θ为V形夹角，所述V形夹角tanθ=8/3，相邻两个阶梯形结构之间的夹角表示为θ 1 ，且tanθ 1 =-3/4。
7.根据权利要求1所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率以代表不同水平的光激发，从而实现调节该吸波器的吸收带宽。
8.根据权利要求1所述的基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述底层金属反射板材质是金属金，所述介质基板是一种介电常数为1.28，损耗角正切为0.81的材料，光控半导体硅贴片的介电常数为11.9，电导率为1，金属金的电导率为45610000 S/m。
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