CN109521504A - 一种太赫兹波吸收结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹波吸收结构。该太赫兹波吸收结构包括：多层第一材料层，多层第二材料层，其与多层第一材料层交替排列，以形成层数为奇数的奇数叠层，奇数叠层的最外两层材料层均为第一材料层，第一材料层的折射率大于第二材料层的折射率；第一和第二外层，其分别与最外两层材料层相邻布置；其中，第一材料层和/或第二材料层的材料选择为光吸收材料，第一和第二外层的折射率选择成与第二材料层的折射率相同或相近，且第一和第二外层的厚度均是第二材料层的厚度的45％‑50％。该太赫兹波吸收结构对于横电波实现了近乎全角度的完美吸收，对于横磁波能够实现宽角度，即0‑40°范围内的完美吸收，且在40‑70°的角度范围内有大于80％的吸收率。

Description

一种太赫兹波吸收结构

技术领域

本发明涉及光学吸收材料领域，特别是涉及一种太赫兹波吸收结构。

背景技术

太赫兹波通常是指频率在0.1-10THz的电磁波，太赫兹波表现出了一系列不同于其它电磁辐射的特殊性质，如穿透能力强、光子能量低、可得到高分辨率的清晰图像、可进行时间分辨的光谱测量等，使其在安全检查、医学诊断、环境科学、信息通讯及基础物理研究领域有着广泛的应用。其中，太赫兹波吸收材料作为探测和成像的关键技术之一，成为当前太赫兹功能器件研究的热点。在很多应用中，需要材料能够完美吸收所有方向入射进来的太赫兹波。然而，一般的太赫兹波吸收材料只能工作在较窄的角度范围内，尤其是，对于大入射角如入射角70°的电磁波，难以实现完美吸收。

目前，有两种吸收材料，分别是基于材料本征吸收的太赫兹波吸收材料和基于电磁超材料设计的太赫兹波吸收材料。

基于材料本征吸收的太赫兹波吸收材料，比如，许多高分子材料的极性分子的振动和转动频率处于太赫兹波段，当电磁波的震荡频率与物质的共振频率相近时，会发生近共振现象，从而使得高分子材料对太赫兹波产生吸收。然而，由于这类材料的阻抗与空气不匹配，反射波总是存在，因而难以实现对太赫兹波的完美吸收。

基于电磁超材料设计的太赫兹波吸收材料，可以通过调节超材料的设计结构和尺寸可以调控其有效电磁参数，获得这类材料与空气的阻抗匹配，从而实现对太赫兹波的完美吸收。但这种方法设计的太赫兹波吸收体对大入射角，如入射角≥70°的太赫兹波吸收能力有限，同时其复杂的结构也会极大增加设计难度和制作成本。

发明内容

本发明的一个目的是设计在近乎任意入射角下都能实现对横电波完美吸收的太赫兹波吸收材料。

本发明的另一个目的是设计对横磁波有宽角度的完美吸收效果，同时该完美吸收效果对一定范围频率的太赫兹波都有宽角度的完美吸收效果。

本发明提供的一种太赫兹波吸收结构，包括：

多层第一材料层，

多层第二材料层，其与所述多层第一材料层交替排列，以形成层数为奇数的奇数叠层，所述奇数叠层的最外两层材料层均为所述第一材料层，所述第一材料层的折射率大于所述第二材料层的折射率；

第一和第二外层，其分别与所述最外两层材料层相邻布置；

其中，所述第一材料层和/或所述第二材料层的材料选择为光吸收材料，所述第一和第二外层的折射率选择成与所述第二材料层的折射率相同或相近，且所述第一和第二外层的厚度均是所述第二材料层的厚度的45％-50％。

进一步地，所述第一和第二外层的厚度均是所述第一材料层的厚度的50％。

进一步地，所述第一材料层的厚度为1-5μm，所述第二材料层的厚度为5-10μm。

进一步地，所述第一和第二外层的材料相同或不同。

进一步地，所述第一和第二外层的材料均选择成与所述第二材料层的材料相同。

进一步地，所述奇数叠层的层数小于或等于一预设层数。

进一步地，所述太赫兹波吸收结构对具有0-80°入射角的横电波的吸收率大于或等于99％。

进一步地，所述太赫兹波吸收结构对具有0-40°入射角的横磁波的吸收率大于或等于99％。

进一步地，所述太赫兹波吸收结构对具有40-70°入射角的横磁波的吸收率大于80％。

通常情况下，由于空气和普通太赫兹波吸收材料的折射率不同，使得空气和吸收材料中的电磁波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生和对太赫兹波的不完美吸收。然而，发明人惊奇地发现，在本发明的太赫兹波吸收结构中，通过合理的设计能够在第一材料层中形成较强的电磁共振模态来匹配空气和吸收材料中的电磁波，而位于外侧的第一和第二外层能够实现空气中电磁波和第一材料层中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，实现了意想不到的技术效果。

由于现有的太赫兹波吸收材料的阻抗与空气的不匹配，反射波总是存在，因而难以实现对太赫兹波的完美吸收，尤其是当入射角比较大时，材料对太赫兹波的吸收率往往会大大降低。然而，本申请可以通过调节第一材料层和第二材料层的厚度，可以使得该太赫兹波吸收结构对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-80°)的完美吸收(吸收率99％)。其原理在于，该太赫兹波吸收结构与空气间的全角度阻抗匹配效应。

第一材料层和第二材料层的材料选取可以是多样的，比如，空气、二氧化硅、聚乙烯、氧化铝和陶瓷等。因此，在实际应用，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的材料，这极大地拓展了该太赫兹波吸收结构的应用领域。

综上所述，发明人通过设计简单的太赫兹波吸收结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的太赫兹波吸收结构，对于横电波实现了近乎全角度的完美吸收(能量吸收率≥99％)，对于横磁波能够实现宽角度(0-40°)的完美吸收(能量吸收率≥99％)，且在40-70°的角度范围内有大于80％的吸收率。更意外的是，该光学多层膜对一定范围频率的太赫兹波都有宽角度的完美吸收效果。此外，该光学多层膜具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的太赫兹波吸收结构的示意性立体图；

图2是太赫兹波吸收结构对频率为10THz的横电波和横磁波的吸收率随入射角的变化曲线；

图3是太赫兹波吸收结构对频率为11THz和12THz的横电波的吸收率随入射角的变化曲线；

附图标记：

110-第一材料层；

120-第二材料层；

130-第一外层；

140-第二外层。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的太赫兹波吸收结构的示意性立体图。如图1所示，该太赫兹波吸收结构包括第一材料层110、第二材料层120、第一外层130和第二外层140。该第一材料层110和第二材料层120的层数可以是多层，并且该多层第一材料层110和多层第二材料层120交替排列。该多层第一材料层110和多层第二材料层120一起形成层数为奇数的奇数叠层，并且该奇数叠层的最外两层材料层均为第一材料层110，其中，第一材料层110的折射率大于第二材料层120的折射率。第一外层130和第二外层140分别与最外两层材料层相邻布置。其中，第一材料层110和/或第二材料层120的材料选择为光吸收材料，第一外层130和第二外层140的折射率选择成与第二材料层120的折射率相同或相近，且第一外层130和第二外层140的厚度均是第二材料层120的厚度的45％-50％。

其中，第一材料层110和第二材料层120的折射率的高低是相对的。例如，当选用空气作为第二材料层120的材料，则第一材料层110的材料可以是二氧化硅、聚乙烯等；而如果选用聚乙烯作为第二材料层120的材料，则第一材料层110的材料可以是陶瓷等折射率较高的材料。

在一个实施例中，第一外层130和第二外层140的厚度均是第二材料层120的厚度的一半。在另一个实施例中，第一外层130和第二外层140的厚度均是第二材料层120的厚度45％、46％、47％、48％或49％。在一个实施例中，第一外层130和第二外层140的厚度相等。在另一个实施例中，第一外层130和第二外层140的厚度不相等。

在一个实施例中，第一材料层110的厚度为1μm、2μm、3μm、4μm和5μm，也可以为1-5μm中任一数值。第二材料层120的厚度为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm和10μm，也可以为5-10μm中任一数值。在另一实施例中，第一材料层110的厚度约为4.4μm，第二材料层120的厚度约为8.8μm。在设计中，可以通过调整第一材料层110和第二材料层120的厚度来改变工作波长。

在一个实施例中，第一外层130和第二外层140的材料为相同材料。在一个实施例中，该第一外层130和第二外层140的材料均与第二材料层120的材料为相同材料。在另一个实施例中，第一外层130和第二外层140的材料为不同材料。

其中，该奇数叠层的层数小于或等于一预设层数以保证近乎全角度的完美吸收。当该奇数叠层的层数超过该预设层数后，所制作出的太赫兹波吸收结构对太赫兹波吸收率则几乎不产生影响。

通常情况下，由于空气和普通太赫兹波吸收材料的折射率不同，使得空气和吸收材料中的电磁波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生和对太赫兹波的不完美吸收。然而，发明人惊奇地发现，在本发明的太赫兹波吸收结构中，通过合理的设计能够在第一材料层110中形成较强的电磁共振模态来匹配空气和吸收材料中的电磁波，而位于外侧的第一和第二外层140能够实现空气中电磁波和第一材料层110中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，实现了意想不到的技术效果。

由于现有的太赫兹波吸收材料的阻抗与空气的不匹配，反射波总是存在，因而难以实现对太赫兹波的完美吸收，尤其是当入射角比较大时，材料对太赫兹波的吸收率往往会大大降低。然而，本申请可以通过调节第一材料层110和第二材料层120的厚度，可以使得该太赫兹波吸收结构对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-80°)的完美吸收(吸收率99％)。其原理在于，该太赫兹波吸收结构与空气间的全角度阻抗匹配效应。

第一材料层110和第二材料层120的材料选取可以是多样的，比如，空气、二氧化硅、聚乙烯、氧化铝和陶瓷等。因此，在实际应用，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的材料，这极大地拓展了该太赫兹波吸收结构的应用领域。

本发明的太赫兹波吸收结构，对于横电波实现了近乎全角度的完美吸收(能量吸收率≥99％)，例如0°、20°、30°、40°、50°、60°、70°或80°，或者0-80°中任意角度。对于横磁波能够实现宽角度(0-40°)的完美吸收(能量吸收率≥99％)，例如0°、20°、30°或40°，或者0-40°中任意角度。并且在40-70°的角度范围内有大于80％的吸收率，例如40°、50°、60°或70°，也可以是40-70°中任意角度。

在一个具体的实施例中，第一材料层110的相对介电常数选择为5+0.03i，其厚度为4.7μm。第二材料层120的相对介电常数选择为2+0.01i，其厚度为8.8μm。第一材料层110和第二材料层120的相对磁导率为1，并且第一材料层110和第二材料层120的总层数为401层。第一外层130和第二外层140的厚度均为4.4μm。

在一个实施例中，以入射太赫兹波为横电波(电场平行于太赫兹波吸收结构的表面)为例进行说明。在该实施例中，横电波的波长为30μm(即频率为10THz)，且入射太赫兹波从空气中入射到光学多层膜中。

图2示出了太赫兹波吸收结构对频率为10THz的横电波和横磁波的吸收率随入射角的变化曲线。如图2所示，图中实线是太赫兹波吸收结构对横电波的吸收率随着入射角的变化曲线，图中虚线是太赫兹波吸收结构对横磁波的吸收率随着入射角的变化曲线。由图2可知，随着入射角的增大，对横电波吸收率几乎始终为100％，直到入射角大于80°时，透射率才发生明显的下降。这表明，该太赫兹波吸收结构能够对横电波实现近乎全角度的完美吸收。

图3示出了太赫兹波吸收结构对频率为11THz和12THz的横电波的吸收率随入射角的变化曲线。如图3所示，结果表明，同样的材料能够对设计频率(即10THz频率)以外的电磁波仍有宽角度的完美吸收效果。

对于入射太赫兹波为横磁波(磁场平行于太赫兹波吸收结构的表面)的情况，尽管不能实现全角度的完美吸收，也能够实现0-40°的宽角度的完美吸收，且在40-70°的角度范围内有大于80％的吸收率。

根据本发明的方案，发明人通过设计简单的太赫兹波吸收结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的太赫兹波吸收结构，对于横电波实现了近乎全角度的完美吸收(能量吸收率≥99％)，对于横磁波能够实现宽角度(0-40°)的完美吸收(能量吸收率≥99％)，且在40-70°的角度范围内有大于80％的吸收率。更意外的是，该光学多层膜对一定范围频率的太赫兹波都有宽角度的完美吸收效果。此外，该光学多层膜具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种太赫兹波吸收结构，其特征在于，包括：

多层第一材料层，

多层第二材料层，其与所述多层第一材料层交替排列，以形成层数为奇数的奇数叠层，所述奇数叠层的最外两层材料层均为所述第一材料层，所述第一材料层的折射率大于所述第二材料层的折射率；

第一和第二外层，其分别与所述最外两层材料层相邻布置；

其中，所述第一材料层和/或所述第二材料层的材料选择为光吸收材料，所述第一和第二外层的折射率选择成与所述第二材料层的折射率相同或相近，且所述第一和第二外层的厚度均是所述第二材料层的厚度的45％-50％。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述第一和第二外层的厚度均是所述第一材料层的厚度的50％。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述第一材料层的厚度为1-5μm，所述第二材料层的厚度为5-10μm。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述第一和第二外层的材料相同或不同。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述第一和第二外层的材料均选择成与所述第二材料层的材料相同。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述奇数叠层的层数小于或等于一预设层数。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述太赫兹波吸收结构对具有0-80°入射角的横电波的吸收率大于或等于99％。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述太赫兹波吸收结构对具有0-40°入射角的横磁波的吸收率大于或等于99％。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的太赫兹波吸收结构，其特征在于，所述太赫兹波吸收结构对具有40-70°入射角的横磁波的吸收率大于80％。