CN109390700B - 混合结构超材料太赫兹宽带吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合结构超材料太赫兹宽带吸收器。它包括太赫兹波输入端、N×N个结构单元，N为自然数，N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上。结构单元包括顶层金属微结构层、介质层以及底层金属层；顶层金属微结构层是由五个十字架形状和四个星型形状组成，顶层金属微结构层的形状依次为第一十字架、第二星型、第三十字架、第四星型、第五十字架、第六星型以及第七十字架。本发明的混合结构太赫兹宽带吸收器具有结构简单、制作方便、吸收带宽宽以及吸收率高等优点，满足在太赫兹波通信技术、生物医学、太赫兹辐射领域应用要求。

Description

混合结构超材料太赫兹宽带吸收器
技术领域
本发明涉及吸收器，具体涉及混合结构超材料太赫兹宽带吸收器。
背景技术
太赫兹波是指频率从0.1THz到10THz，波长为3mm到30μm，其频段介于毫米波与红外光之间频谱范围的电磁波谱区域。太赫兹所处波谱中独特频段使其不仅同时微波及光波的一些特征，同时它还有具有一些独特的特点：(1)强穿透性：太赫兹能够低损耗透过电介质及非极性物体的特性使得它能够对陶瓷非透明介质透视成像，同时太赫兹波是浓烟或者风尘等低可见度环境中成像的理想光源，可用于沙漠、雾霾天气等场合。(2)低能量性：频率在1THz电磁波所具有的能量仅仅在毫电子伏特数量级，因此不会导致光致电离，因此可以放心地应用于生物样品的检测及旅客的安检。(3)光谱分辨能力强：虽然太赫兹拥有非常小的光子能量，却囊括了许多光谱信息。太赫兹此频段具有明显的吸收及色散特性。
太赫兹波吸收器是一种非常重要的太赫兹波功能器件，其在太赫兹波成像、太赫兹波医学诊断、太赫兹波通信、太赫兹波空间天文学等太赫兹波应用领域都有着广阔的应用前景，但是现有的太赫兹波吸收器结构复杂、制作困难、窄带吸收，响应速度慢。因此迫切需要研究出一种结构简单、制作方便、效率高的太赫兹波吸收器来满足太赫兹实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供混合结构太赫兹宽带吸收器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种混合结构超材料太赫兹宽带吸收器，包括太赫兹波输入端、N×N个结构单元，N为自然数，N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元的三维结构为长方体，长方体具有三层结构，包括顶层金属微结构层、介质层以及底层金属层，顶层金属微结构层和底层金属层分别覆盖于介质层的两侧；太赫兹波从N×N个结构单元上具有顶层金属微结构层的一侧输入；每个结构单元长方体由7个尺寸完全相同且顺次相连的长方体组成，且7个长方体中的顶层金属微结构层形状不同，由五个十字架形状和四个星型形状组成，从左到右依次为第一十字架、第二星型、第三十字架、第四星型、第五十字架、第六星型、第七十字架。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式。
所述的N×N个结构单元中，每个结构单元长方体的长度为350μm～420μm，宽度为50μm～60μm。
所述的顶层金属微结构层为金属铜，电导率为4.561×107S/m，厚度为100nm～200nm；顶层金属微结构层中，第一十字架的长度为50μm～60μm，宽度为10μm～12μm；第二星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为14μm～16μm，长轴长度为50μm～60μm；第三十字架的长度为50μm～60μm，宽度为9μm～11μm；第四星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为10μm～12μm，长轴长度为50μm～60μm；第五十字架的长度为50μm～60μm，宽度为8μm～10μm；第六星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为8μm～10μm，长轴长度为50μm～60μm；第七十字架的长度为50μm～60μm，宽度为7μm～9μm。
本发明中，第一十字架、第三十字架、第五十字架、第七十字架均有两条等长度并呈矩形形状的边垂直交叉而成，十字架的长度是指任意一条边的长度。
所述的介质层的宽度为50μm～60μm，长度为350μm～420μm，厚度为34～40μm，材料为相对介电常数为3.9二氧化硅。
所述的底层金属层为金属铜，电导率为4.561×107S/m，长度为350μm～420μm，宽度为50～60μm，厚度为100～200μm。
本发明的混合结构太赫兹宽带吸收器具有结构简单紧凑，制作方便，响应速度快，调节方便，满足在太赫兹波成像、医学诊断、环境监测、宽带移动通信等领域应用要求。
附图说明：
图1是混合结构太赫兹宽带吸收器的结构单元三维示意图；
图2是混合结构太赫兹宽带吸收器N×N个结构单元周期排列结构正视图；
图3是混合结构太赫兹宽带吸收器的频率为1.5THz时的电场能量图；
图4是混合结构太赫兹宽带吸收器0.1～2.0THz吸收曲线图；
具体实施方式
本发明中的一种混合结构超材料太赫兹宽带吸收器，包括太赫兹波输入端1、N×N个结构单元2，N为自然数，可根据需要进行调整。N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上。如图1所示，每个结构单元的三维结构为长方体，其以紧密衔接的形式周期排列，形成如图2所示的吸收器形式。每个结构单元的长方体均具有三层结构，包括顶层金属微结构层3、介质层4以及底层金属层5，顶层金属微结构层3和底层金属层5分别覆盖于介质层4的两侧；太赫兹波从N×N个结构单元2上具有顶层金属微结构层3的一侧输入，形成太赫兹波输入端1；每个结构单元长方体由7个尺寸完全相同且顺次相连的长方体组成，且7个长方体中的顶层金属微结构层3形状不同，由五个十字架形状和四个星型形状组成，从左到右依次为第一十字架、第二星型、第三十字架、第四星型、第五十字架、第六星型、第七十字架。
各器件的具体参数如下：所述的N×N个结构单元2中，每个结构单元长方体的长度为350μm～420μm，宽度为50μm～60μm。所述的顶层金属微结构层3材料为金属铜，电导率为4.561×107S/m，厚度为100nm～200nm；顶层金属微结构层3中，第一十字架的长度为50μm～60μm，宽度为10μm～12μm；第二星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为14μm～16μm，长轴长度为50μm～60μm；第三十字架的长度为50μm～60μm，宽度为9μm～11μm；第四星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为10μm～12μm，长轴长度为50μm～60μm；第五十字架的长度为50μm～60μm，宽度为8μm～10μm；第六星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为8μm～10μm，长轴长度为50μm～60μm；第七十字架的长度为50μm～60μm，宽度为7μm～9μm。所述的介质层4的宽度为50μm～60μm，长度为350μm～420μm，厚度为34～40μm，材料为相对介电常数为3.9二氧化硅。所述的底层金属层5为金属铜，电导率为4.561×107S/m，长度为350μm～420μm，宽度为50～60μm，厚度为100～200μm。
实施例1
本实施例中，混合结构太赫兹宽带吸收器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
选择结构单元个数N＝50。该混合结构太赫兹宽带吸收器中，周期排列的N×N周期结构的三维结构为长方体，如图1所示，长方体的宽度为50μm，长度为350μm，长方体包含7个尺寸完全相同的长方体。顶层金属微结构层3材料为金属铜，电导率为4.561×107S/m，厚度为100nm，顶层金属微结构层顶层由五个十字架形状和四个星型形状组成，顶层金属微结构层的形状依次为第一十字架、第二星型、第三十字架、第四星型、第五十字架、第六星型、第七十字架，第一十字架的长度为50μm，宽度为10μm，第二星型、第四星型、第六星型结构均由两个垂直的椭圆形状组成，其中第二星型的椭圆形状的短轴长度为14μm，长轴长度为50μm，第三十字架的长度为50μm，宽度为9μm，第四星型短轴长度为10μm，长轴长度为50μm，第五十字架的长度为50μm，宽度为8μm，第六星型短轴长度为8μm，长轴长度为50μm，第七十字架的长度为50μm，宽度为7μm。介质层4的宽度为50μm，长度为350μm，厚度为34μm，材料为相对介电常数为3.9二氧化硅。底层金属层5为金属铜，电导率为4.561×107S/m，长度为350μm，宽度为50μm，厚度为100μm。如图3所示为混合结构太赫兹宽带吸收器的频率为1.5THz时的电场能量图，它表明电偶极子共振存在于y方向，电磁能量是由于强电磁而在吸收器中消耗谐振，因此，它产生几乎完美的吸收。混合结构太赫兹宽带吸收器0.1～2.0THz吸收曲线如图4所示，吸收率在85％以上的带宽为540GHz。

Claims (3)

1.一种混合结构超材料太赫兹宽带吸收器，其特征在于包括太赫兹波输入端（1）、N×N个结构单元（2），N为自然数，N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个结构单元的三维结构为长方体，长方体具有三层结构，包括顶层金属微结构层（3）、介质层（4）以及底层金属层（5），顶层金属微结构层（3）和底层金属层（5）分别覆盖于介质层（4）的两侧；太赫兹波从N×N个结构单元（2）上具有顶层金属微结构层（3）的一侧输入；每个结构单元长方体由7个尺寸完全相同且顺次相连的长方体组成，且7个长方体中的顶层金属微结构层（3）形状不同，由五个十字架形状和四个星型形状组成，从左到右依次为第一十字架、第二星型、第三十字架、第四星型、第五十字架、第六星型、第七十字架；
所述的N×N个结构单元（2）中，每个结构单元长方体的长度为350µm~420μm，宽度为50µm~60μm；
所述的顶层金属微结构层（3）为金属铜，电导率为4.561×107S∕m，厚度为100nm~200nm；顶层金属微结构层（3）中，第一十字架的长度为50µm~60μm，宽度为10µm~12μm；第二星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为14µm~16μm，长轴长度为50µm~60μm；第三十字架的长度为50µm~60μm，宽度为9µm~11μm；第四星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为10µm~12μm，长轴长度为50µm~60μm；第五十字架的长度为50µm~60μm，宽度为8µm~10μm；第六星型结构由两个垂直且相同的椭圆形状组成，椭圆形状的短轴长度为8µm~10μm，长轴长度为50µm~60μm；第七十字架的长度为50µm~60μm，宽度为7µm~9μm。
2.如权利要求1所述的混合结构超材料太赫兹宽带吸收器，其特征在于所述的介质层（4）的宽度为50µm~60μm，长度为350µm~420μm，厚度为34~40μm，材料为相对介电常数为3.9二氧化硅。
3.如权利要求1所述的混合结构超材料太赫兹宽带吸收器，其特征在于所述的底层金属层（5）为金属铜，电导率为4.561×107S∕m，长度为350µm~420μm，宽度为50~60μm，厚度为100~200μm。
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