CN111029783B - 偏振无关的类电磁感应透明超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超材料类电磁感应领域，具体涉及一种偏振无关的类电磁感应透明超材料,包括基底以及设置在所述的基底上的金属材料单元；所述的金属材料单元包括四个L型结构以及一个十字型结构；四个所述的L型结构组成正方形，且相邻的L型结构之间保有间隙2×g+w；所述的十字型结构设置在所述的正方形的中间且边缘由所述的正方形的间隙处延伸至所述的正方形外部。本发明所设计的超材料结构是中心对称的，在太赫兹波段下可以实现不受偏振光的影响而获得稳定的类电磁感应透明现象。

Description

偏振无关的类电磁感应透明超材料
技术领域
本发明属于超材料类电磁感应领域，具体涉及一种偏振无关的类电磁感应透明超材料。
背景技术
电磁感应透明是1990年S.E.Harris在三能级原子系统中发现的，透明产生的原因是由于相干电磁场与多能级原子系统之间的量子相消干涉，产生的现象在某一频率处出现了强的透过率。通过研究发现电磁感应透明效应能够降低群速度和增强非线性效应，因此可以用来研究光开关及慢光效应。然而，电磁感应透明效应在实际应用中受到苛刻环境条件的限制，例如稳定的气体激光器和极低的温度，这极大地限制了电磁感应透明技术的进一步发展和应用，因此基于电磁感应透明的慢光效应研究也停滞不前。
目前所有的材料按介电常数和磁导率分可以分为四类，其中超材料就属于其中一类，科研人员把介电常数和磁导率同时为负的这种材料称为左手材料，超材料之前被称为左手材料。超材料是一种具有亚波长结构的人工合成材料，通过改变周期晶格的结构和尺寸，可以设计其物理性质，如磁导率和介电常数等。由于超材料具有自然界材料所不具备的一些特性，因此在一些新型领域方面获得实用性发展，科研人员通过利用超材料特殊的物理性质制备出一些功能器件，如隐身器件、超透镜、偏振旋转器和完美的吸收器等。基于超材料获得电磁诱导透明效应也是目前科研领域的一个热点。采用超材料不需要严苛的实验环境即可观察到电磁感应透明现象，有代表意义的研究是加利福尼亚大学的Zhang xiang等人在2008年的工作，他们设计出两个平行条和一个竖直条的超材料，通过不同的偏振激励发现了与原子系统类似的电磁感应透明现象，该现象被称为类电磁感应透明。太赫兹波的频率范围为0.1THz-10THz，近些年在太赫兹波段下研究类电磁感应透明现象也逐渐增多。许多生物大分子如各种生物蛋白酶和DNA碱基等，它们的特征振动频率恰好发生在太赫兹频段，并在太赫兹频段处有很强的共振吸收，同时也是因为太赫兹波具有较低的能量，不会破坏生物分子组织。因此利用超材料制作太赫兹传感器件应用前景良好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偏振无关的类电磁感应透明超材料,解决了偏振敏感的问题以及在太赫兹波段下将该超材料作为生物传感器可以实现较高的灵敏度。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种偏振无关的类电磁感应透明超材料，包括基底以及设置在所述的基底上的金属材料单元；所述的金属材料单元包括四个L型结构以及一个十字型结构；四个所述的L型结构组成正方形，且相邻的L型结构之间保有间隙2×g+w；所述的十字型结构设置在所述的正方形的中间且边缘由所述的正方形的间隙处延伸至所述的正方形外部。g＝20μm,w＝15μm。
所述的L型结构的两个侧臂长度相等，长度为a＝140μm。
所述的基底的材料为二氧化硅，介电常数为3.8；基底为正方体结构，正表面变长为Px＝Py＝420μm，厚度为50μm。
所述的金属材料单元的制备材料为铜，电导率为5.8×107S/m，厚度为3μm，宽度w＝15μm。
所述的十字型结构的两臂长度相等，长度为b＝380μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所设计的超材料结构是中心对称的，在太赫兹波段下可以实现不受偏振光的影响而获得稳定的类电磁感应透明现象。
2.本发明设计的超材料可以应用于生物传感器，主要是因为该发明所研究的波段是在太赫兹波段下，生物细胞在太赫兹波段下会发生集体共振，从而方便检测。
3.本发明所设计的超材料结构在应用于生物传感器方面时，随着测物折射率的增大，透过峰的透过率也会逐渐提高。
附图说明
图1为单独十字结构的超材料示意图；
图2为四个L型结构的超材料示意图；
图3为组合超材料(偏振无关的类电磁感应透明超材料)结构示意图；
图4为单独十字结构、四个L型及两者组合下透射谱曲线图；
图5为不同偏振下透射谱曲线图；
图6为加入探测物之后的结构示意图；
图7为不同探测物下透射谱曲线图；
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
图3示出一种偏振无关的类电磁感应透明超材料，包括基底以1及设置在所述的基底上的金属材料单元；所述的金属材料单元包括四个L型结构2以及一个十字型结构3(图2示出)；四个所述的L型结构组成正方形(图1示出)，且相邻的L型结构之间保有间隙2×g+w；所述的十字型结构设置在所述的正方形的中间且边缘由所述的正方形的间隙处延伸至所述的正方形外部。
所述的L型结构的两个侧臂长度相等，长度为a＝140μm。
所述的基底的材料为二氧化硅，介电常数为3.8；基底为正方体结构，正表面变长为Px＝Py＝420μm，厚度为50μm。
所述的金属材料单元的制备材料为铜，电导率为5.8×107S/m，厚度为3μm，宽度w＝15μm。
所述的十字型结构的两臂长度相等，长度为b＝380μm。
本发明得到的结果是用Comsol软件模拟获得的，Comsol软件利用有限元法进行计算，利用有限元法的主要思想是将整个区域划分成有三角形或四方体组成的小块，之后对分割后的小单元建立线性插值基函数进行计算，其中划分网格的疏密对计算结果的影响是很大的，本发明利用Comsol软件所设置网格是极细化分割。图1为单独十字谐振器示意图，从图4中可以看出，从图4中可以看出其在x偏振下产生一个透射谷，谐振频率为0.25THz。图2表示只有四个L型结构，在x偏振下产生一个透射谷，谐振频率为0.37THz。图3表示十字结构与四个L共同组合结构，从图4中可以看出，该结构在太赫兹波段激励下产生类电磁感应透明效应，在0.3THz处出现一个透射峰，透过率可以达到0.88，实现高的透过率。在0.25THz处出现第一个透射谷，在0.365THz处出现第二个透射谷。
类电磁感应透明产生通常是由两种模式相互干涉形成的，一种是亮-暗模式相互作用形成类电磁感应透明效应，另一种是亮-亮模式相互作用形成类电磁感应透明效应。类电磁诱导透明中的亮模式与暗模式区分可以通过观察透射谱曲线图来区分，衡量亮-暗模式有一个重要的参数是品质因子Q。品质因子的计算方法是Q＝f0/FWHM，f0表示共振处的频率，也就是类电磁感应透射谱中表示透射峰或透射谷所在的频率，FWHM表示为透射峰或透射谷的半高宽。亮模式具有较低的品质因子，其透射谱曲线相对较宽，而暗模式的Q值比亮模式大，其透射谱曲线宽度较窄。从图4可以看出单独的十字结构和四个L结构的透射谱曲线宽度比较接近，两个谐振器的品质因子Q值也比较接近，因此，可以认为该超材料产生的类电磁感应透明效应是在亮-亮模式下形成的。
为了探究入射电磁波偏振角θ对类电磁感应透明效应的影响，本发明探究了偏振角度为0°、45°及90°情况下的透射谱变化情况。从图5可以看出，透射谱不随偏振角的增大而发生变化，主要是由于该超材料的结构是中心对称的，因此该超材料对入射太赫兹波偏振角变化不明显，可以应用于不同偏振角下持续产生电磁感应透明的现象。
本发明研究了该中心对称超材料结构作为生物传感器灵敏度的大小。本发明设置探测物的厚度h2为50μm，结构图如图6所示。其中探测物的折射率n从1增加到1.4，增大间隔为0.1，经过仿真计算结果如图7所示，从图7中可以看出，随着探测物折射率的增大，透射谱曲线逐渐向低频移动，更有趣的发现是透过谱的透过率也会随探测物折射率的增大而逐渐上升，这是之前研究超材料在太赫兹波段应用于生物传感器中很少出现的现象。根据灵敏度的大小的计算公式S＝Δf/Δn，其中Δf表示不同折射率下透射峰所在频率差或透射谷所在频率差，Δn表示折射率之间的差，当探测物折射率从1变化到1.4时，增长间隔为0.1，第一个透射谷、透射峰和第二个透射谷所在频率从分别从0.25THz、0.3THz、0.37THz减小到0.225THz、0.275THz、0.34THz。则通过计算出来该超材料作为生物传感器其所对应灵敏度分别达到62.5GHz/RIU、62.5GHz/RIU、75GHz/RIU。本发明中超材料结构作为生物传感器的灵敏度与最新研究的灵敏度数值比较接近，因此该超材料结构作为生物传感器是一个比较好的器件。
以上是本发明的具体实施内容的介绍，本发明主要在太赫兹波段下设计了一个超材料，可以不受入射偏振光的影响而产生稳定的类电磁感应透明效应。其次，本发明的生物传感器灵敏度在太赫兹波段下数值比较高。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，包括基底以及设置在所述的基底上的金属材料单元；所述的金属材料单元包括四个L型结构以及一个十字型结构；四个所述的L型结构组成正方形，且相邻的L型结构之间保有间隙2×g+w；所述的十字型结构设置在所述的正方形的中间且边缘由所述的正方形的间隙处延伸至所述的正方形外部；所述的L型结构的两个侧臂长度相等; 其中g为L型结构距十字型结构的距离；w为L型结构的宽度以及十字型结构的宽度。
2.根据权利要求1所述的偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，L型结构的两个侧臂长度为a=140μm。
3.根据权利要求1所述的偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，所述的基底的材料为二氧化硅，介电常数为3.8；基底为正方体结构，正表面边长为420μm，厚度为50μm。
4.根据权利要求1所述的偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，所述的金属材料单元的制备材料为铜，电导率为5.8×107S/m，厚度为3μm，宽度w=15μm。
5.根据权利要求1所述的偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，所述的十字型结构的两臂长度相等，长度为b=380μm。
6.根据权利要求1所述的偏振无关的类电磁感应透明超材料，其特征在于，g=20μm。
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