CN110190404A - 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面 - Google Patents

一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面 Download PDF

Info

Publication number
CN110190404A
CN110190404A CN201910421779.7A CN201910421779A CN110190404A CN 110190404 A CN110190404 A CN 110190404A CN 201910421779 A CN201910421779 A CN 201910421779A CN 110190404 A CN110190404 A CN 110190404A
Authority
CN
China
Prior art keywords
outer ring
height
electromagnetically induced
super surface
frequency range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910421779.7A
Other languages
English (en)
Inventor
王兰
张雅鑫
杨梓强
梁世雄
兰峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201910421779.7A priority Critical patent/CN110190404A/zh
Publication of CN110190404A publication Critical patent/CN110190404A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/0066—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices being reconfigurable, tunable or controllable, e.g. using switches

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

该发明属于电磁功能器件技术领域，具体为一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面。本发明采用了传统的双环结构，通过控制内外环的高度差，从三维的角度设计优化谐振单元，使金属内环高度高于金属开口外环，形成了一种特殊的耦合模式，增强了内外环的耦合强度，得到了增强的电磁诱导透明窗；且可用于同一个单元内或不同的单元间，在内外环高度差达到20倍时，EIT透明窗的透过率可达到95％，为以后的器件设计提供了一种与众不同的思路。

Description

一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面
技术领域
该发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的带通滤波器件，具体为一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡区域，是电磁波谱中唯一尚处于开发的频段资源。它介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光区域之间，具有独特的电磁特性；太赫兹波在物理、电子信息、化学、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通讯雷达等领域具有极重要的应用，是下一代信息产业的科学技术重要基础之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。
电磁人工超材料应用于太赫兹技术中来提高太赫兹器件的性能是一个重要的研究方向。这种不受限制的、可任意修改并设计组成材料结构参数的特性能够创造出独特新颖的功能器件，从而实现对电磁波的传播随心所欲的操控，如亚波长超透镜，隐身衣等，这些功能几乎是无法利用传统的材料来实现。这些人工电磁超材料组成单元的尺寸远远小于入射电磁波的工作波长，它们的电磁响应依赖于材料的单元结构而不是组成的材料本身，亚波长尺度下的非均匀性在宏观上也可认为整个材料是均匀一致的，并且用均匀的、等效的结构参数来表征电磁特性。
电磁诱导透明现象(Electromagnetically induced Transparency,简写为EIT)是在原本不透明介质的宽带吸收电磁波谱上，由于量子干涉效应而出现了窄带的透明窗口。这种现象最早在三能级原子系统中被观察到，产生的物理原因是当控制光和探测光共同施加于原子上时，原子的两个跃迁通道之间的量子相消干涉，导致光在原子共振频率处吸收减少，产生一个透明的传输窗口。
但是利用原子系统进行EIT研究时会遇到一些问题，如需要极低温的条件；需要制备或寻找三能级的系统；在原子体系中，工作频率主要集中在可见光或附近区域。采用超材料这类经典系统模拟电磁感应透明现象，使工作条件的要求大为降低，工作频率可以从微波一直到可见光，方便研究EIT现象与工作频率和各种参数之间的关系。
目前常规的使用超表面增强EIT谐振强度的方式有两种：(1)打破单元中超表面结构的对称性或者改变超表面谐振结构间的相对距离；(2)将超表面结构与半导体材料相结合，通过外加激励调控半导体材料的电导率，从而改变超表面结构的谐振特性。而对于研究EIT现象与工作频率和结构参数之间的关系来讲，手段相对单一。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面，从全新的一个角度考虑，通过改变内环的高度实现内外环的高度差，最终达到其电磁诱导透明窗远高于普通的EIT。
该工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面包括半导体材料衬底和其上的谐振单元阵列。
其中，高度不同的金属内环和双开口金属外环共同构成金属结构层。
谐振单元上下、左右分别对称，由两个同心不同半径的金属圆环组成。金属内环不开口，金属外环在水平方向上开有两个以圆心为中心左右对称的开口，且内外环的材料相同，线宽一致，不超过4um，金属外环的开口弧长为2-6um。谐振单元的金属内环与金属开口外环高度不同，金属内环高度最高为4um，且高于金属开口外环。
谐振单元阵列为多个谐振单元构成的M*N型阵列，其中M>3，N>3；各个谐振单元为完全相同的电磁谐振结构(Metamaterials)，其双开口的金属外环分别与上、下、左、右的相邻单元相切。从整体上来看，阵列中每一行的外环开口在一条直线上，且与入射波的电场方向垂直。
进一步的，所述半导体材料衬底选择蓝宝石、高阻硅或碳化硅；谐振单元采用Al、Au或Cu构成金属环。上述列出的金属材料也可采用其他电导率相近的金属代替。
本发明采用了传统的最简单的双环结构，相比于其他复杂的人工微结构，既能观测到EIT现象，也没有多余的谐振模式；通过控制内外环的高度差，从三维的角度进一步设计优化谐振单元，使金属内环高度高于金属开口外环，在内外环高度差的变化过程中，观测到了电场跌落的现象，形成了一种特殊的耦合模式，增强了内外环的耦合强度，得到了增强的电磁诱导透明窗；本发明这种高低起伏的设计想法可用于同一个单元内或不同的单元间，为以后的器件设计提供了一种与众不同的思路；本发明可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于加工，避免了复杂结构的设计方案带来的高难度加工，且对太赫兹波有出色的调幅能力，可工作于常温、常压、非真空条件下，无需波导加载，这些使得该器件有着良好的发展与应用前景。
综上所述，本发明从另一个角度出发，不再考虑平面上结构变化对EIT的影响，而是考虑第三个维度，即超表面结构高度的改变对EIT带来的影响，通过巧妙设计双环嵌套的高低不平超表面，利用周期人工金属电磁谐振结构(Metamaterials)对电磁波的精确控制能力，形成EIT透明窗，在内外环高度差达到20倍时，EIT透明窗的透过率可达到95％。
附图说明
图1为本发明的设计方案局部示意图。
图2为本发明的谐振单元结构立体示意图
图3为实施例的高低不平超表面扫描电镜图。
图4为实施例在不同内外环高度差下透射曲线图。
图5为实施例在内环厚度分别为0.2um和4um的相邻单元电场分布模式图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
该工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面由高度不同的内环和外环嵌套组成，这种高度差使得内外环之间形成具有电场落差分布特点的耦合模式。随着内环高度的增加，内环的电场会逐渐向外环跌落，从而增强了单元内两个环的耦合强度以及相邻单元间的耦合强度。通过应用这种高低不平超表面，可以实现近95％的透明窗，是普通EIT透明窗的两倍。通过仿真和实验说明了该设计的可行性，为设计太赫兹领域带通器件提供了一种新颖可行的方法。
如图1所示，工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面包括半导体材料衬底(1)和周期人工金属电磁谐振结构(Metamaterials)阵列。金属内环(2)和双开口金属外环(3)共同构成谐振单元的金属环。
Metamaterials谐振单元各单元结构完全相同。其中，每个单元结构上下、左右分别对称，每个谐振单元由两个同心不同半径的金属圆环组成。其中，金属内环不开口，金属外环在水平方向上开有两口，两口以圆心为中心左右对称，金属外环的开口弧长为4um。每个谐振单元的金属内环与金属开口外环高度不同，金属内环高度要高于金属开口外环。
谐振单元阵列为多个谐振单元构成的M*N型阵列，其中M>3，N>3；每个谐振单元中，双开口的金属外环分别与上、下、左、右的相邻单元相切。
衬底基片选择蓝宝石；采用Au构成表面金属环。采用了太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)测试该实施例器件，一共测试了5组实施例。这5组实施例样品内环高度分别为0.2um，1um，2um，3um，4um，而外环高度均为0.2um。测试结果如图4所示，该器件的传输谱共有两个谐振频点，分别在0.35THz和0.52THz附近，两个谐振频点之间是一个频点位于0.44THz的透射峰。内外环高度均为0.2um时为普通的EIT，其透明度为48％。内环高度的增加会导致传输频谱的第二个谐振频点向高频处轻微移动，同时，透明窗幅值也随着内环高度的增加而增加，在内环高度为4um时最高可实现近95％的透明度，为内外环高度一致时普通透明窗的近两倍。
图5给出了外环厚度均为0.2um，内环高度h1分别为0.2um和4um时，透射峰0.44THz处的场强模式分布。由图5(a)可知，内外环高度一致时，两个环的场分布是互补的，即内环场强最强的地方总是对应于外环谐振最弱的场分布，单元横截面场分布(b)和方向图(c)更清楚地证明了这一点。因此，同一个谐振单元，内外环的场不能彼此耦合，在两个相邻单元间仅存在非常弱的耦合，可以通过一对偶极子模型(d)来说明。内环高度增加时，单元内的场分布随之改变。如图5(e)所示，随着内环高度的增加，内环电场逐渐跌落到外环，其在外环相应的位置也有了电场分布，在内环高度为4um的时候，内外环电场几乎达到了一个平衡态。耦合变得最大，相邻两个单元之间的耦合得到增强，可以用两对偶极子模型来说明，如图5(h)所示。因此这种具有电场落差分布的显著耦合模式可以使得EIT谐振强度显著增强。
综上所述，本发明这种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面是一种极具发展潜力和实用性的太赫兹波段带通器件。

Claims (3)

1.一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面，包括半导体材料衬底和其上的谐振单元阵列，其特征在于：
所述谐振单元阵列为多个谐振单元构成的M*N型阵列，其中M>3，N>3；各个谐振单元为完全相同的电磁谐振结构，其金属外环分别与上、下、左、右的相邻单元相切；从整体上来看，阵列中每一行的外环开口在一条直线上，且与入射波的电场方向垂直；
谐振单元的上下、左右分别对称，由两个同心不同半径的金属圆环组成；金属内环不开口，金属外环开有两个以圆心为中心左右对称的开口，且内外环的材料相同，线宽一致，不超过4um，金属外环的开口弧长为2-6um；金属内环与金属外环高度不同，金属内环高度最高为4um，且高于金属外环。
2.如权利要求1所述工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面，其特征在于：所述衬底基片选择蓝宝石、高阻硅或碳化硅材料。
3.如权利要求1所述工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面，其特征在于：所述谐振单元采用Al、Au或Cu构成金属环。
CN201910421779.7A 2019-05-21 2019-05-21 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面 Pending CN110190404A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910421779.7A CN110190404A (zh) 2019-05-21 2019-05-21 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910421779.7A CN110190404A (zh) 2019-05-21 2019-05-21 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110190404A true CN110190404A (zh) 2019-08-30

Family

ID=67716956

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910421779.7A Pending CN110190404A (zh) 2019-05-21 2019-05-21 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110190404A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113093319A (zh) * 2021-04-14 2021-07-09 山东大学 一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用
CN113917709A (zh) * 2021-08-26 2022-01-11 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件
CN114280710A (zh) * 2021-12-19 2022-04-05 复旦大学 一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120120474A1 (en) * 2010-11-11 2012-05-17 Byoung Seung Ham Apparatus and method for optical switching in metamaterials
CN108110396A (zh) * 2017-12-07 2018-06-01 中国计量大学 一种金属-介质双层混合超材料类电磁诱导透明谐振装置
CN108417989A (zh) * 2018-01-24 2018-08-17 北京邮电大学 一种电磁诱导透明结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120120474A1 (en) * 2010-11-11 2012-05-17 Byoung Seung Ham Apparatus and method for optical switching in metamaterials
CN108110396A (zh) * 2017-12-07 2018-06-01 中国计量大学 一种金属-介质双层混合超材料类电磁诱导透明谐振装置
CN108417989A (zh) * 2018-01-24 2018-08-17 北京邮电大学 一种电磁诱导透明结构

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LAN WANG: ""Enhanced THz EIT resonance based on the coupled electric field dropping effect within the undulated meta-surface"", 《NANOPHOTONICS》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113093319A (zh) * 2021-04-14 2021-07-09 山东大学 一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用
CN113093319B (zh) * 2021-04-14 2022-03-04 山东大学 一种太赫兹电磁诱导透明超材料及其制备方法和应用
CN113917709A (zh) * 2021-08-26 2022-01-11 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件
CN114280710A (zh) * 2021-12-19 2022-04-05 复旦大学 一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面
CN114280710B (zh) * 2021-12-19 2024-02-02 复旦大学 一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Meng et al. Polarization-independent metamaterial analog of electromagnetically induced transparency for a refractive-index-based sensor
He et al. Multi-band terahertz absorber at 0.1–1 THz frequency based on ultra-thin metamaterial
Sayanskiy et al. Controlling high-Q trapped modes in polarization-insensitive all-dielectric metasurfaces
Duan et al. A survey of theoretical models for terahertz electromagnetic metamaterial absorbers
Karaaslan et al. Microwave energy harvesting based on metamaterial absorbers with multi-layered square split rings for wireless communications
CN110190404A (zh) 一种工作于太赫兹频段的电磁诱导透明超表面
CN105720378A (zh) 一种偏振不敏感光驱动可调谐太赫兹波超材料吸收器
Mulla et al. Multi-band metamaterial absorber topology for infrared frequency regime
Neuner et al. Efficient infrared thermal emitters based on low-albedo polaritonic meta-surfaces
Liu et al. Terahertz metamaterial based on dual-band graphene ring resonator for modulating and sensing applications
CN107015309A (zh) 一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器
CN110364821A (zh) 超宽带太赫兹非对称传输器件
Zhu et al. An approach to configure low-loss and full transmission metamaterial based on electromagnetically induced transparency
Khromova et al. Dipolar resonances in conductive carbon micro-fibers probed by near-field terahertz spectroscopy
Rodríguez-Ulibarri et al. One-way quasiplanar terahertz absorbers using nonstructured polar dielectric layers
Goussetis et al. Perturbed frequency selective surfaces for multiband high impedance surfaces
Ding et al. Tunable electromagnetically induced transparency at terahertz frequencies in coupled graphene metamaterial
Padilla et al. Perfect electromagnetic absorbers from microwave to optical
Song et al. Polarization-independent terahertz tunable analog of electromagnetically induced transparency
CN108333803A (zh) 一种可调太赫兹超材料吸收器
CN107275792A (zh) 一种太赫兹频段的全角度透明传输材料
Han et al. Tunable bandwidth of pass-band metamaterial filter based on coupling of localized surface plasmon resonance
Song et al. Controlling wideband absorption and electromagnetically induced transparency via a phase change material
Padilla et al. Properties of dynamical electromagnetic metamaterials
Kozlov et al. Tunable terahertz metamaterial based on resonant dielectric inclusions with disturbed Mie resonance

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190830

RJ01 Rejection of invention patent application after publication