CN111064007B - 可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，包括基底以及设置在所述的基底上的多个重复的光学单元；所述的光学单元包括四根金属条、大开口环以及小开口环；所述的大开口环以及小开口环均为正方形且设置有开口；所述的四根金属条组成金属条正方形，且相邻金属条之间保有间隙s；大开口环以及小开口环分别设置在所述的金属条正方形的对角位置且开口呈相反方向设置。本发明的超表面光学材料，能实现太赫兹波段的类EIT效应，并且类EIT现象具有多通道的性质，有多个工作带，比单通道类EIT工作频率范围更广，功能更多。

Description

可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料
技术领域
本发明属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料。
背景技术
太赫兹技术是光学的前沿科技领域，在材料学、生物学、军事、通讯、医疗等领域都有广泛应用。太赫兹的波段很特殊，处于红外与微波之间，一般自然材料不会对太赫兹波产生响应，这使得太赫兹技术的发展在很长一段时间都处于瓶颈期。
超材料是一种周期性的人工微结构，它的传输特性会根据结构设计和环境条件的不同发生改变。近年来，微纳加工技术日渐成熟，尺寸小，结构复杂的超材料逐渐被制造出来。部分超材料能在太赫兹波段工作，这使得太赫兹技术有了跨越式的发展，太赫兹超材料也是当前的热门研究话题。
电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency，简称EIT)效应是量子光学中原子激发态耦合产生的现象。过去，需要超低温和高能量等十分严格的实验条件才能产生EIT效应。而超材料可以在通常条件下产生类EIT效应。类EIT效应的典型特征是：透过谱中，在低透区域会产生一个较高的透射峰，在透射峰周围会有较高的群延迟，这些性质使其在慢光领域有一定的应用价值。传统的类EIT超表面通常为单通道，不具备主动调控功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，包括基底以及设置在所述的基底上的多个重复的光学单元；所述的光学单元包括四根金属条、大开口环以及小开口环；所述的大开口环以及小开口环均为正方形且设置有开口；所述的四根金属条组成金属条正方形，且相邻金属条之间保有间隙s；大开口环以及小开口环分别设置在所述的金属条正方形的对角位置且开口呈相反方向设置。
相邻金属条之间的间隔s＝5μm，该间隔由光敏硅填充。
所述的金属条的长度为L＝150μm，宽度为w＝5μm；小开口环的边长a1＝41-51μm，大开口环的边长a2＝50-60μm；大开口环以及小开口环的开口均为正方形，且边长g＝5μm；大开口环以及小开口环的中心与金属条正方形的中心距离在x方向和y方向上均是d1＝40μm。
优选地，大开口环的边长a2＝60μm小开口环的边长a1＝46μm。
所述基底为聚酰亚胺，厚度为50μm；相对介电常数为2.9，介电损耗为0.02。也可用二氧化硅等类似介质代替。
所述金属条、大开口环以及小开口环的制备材料均为铜，厚度为3μm。也可以是铝、金、银等类似金属材料，材料在太赫兹波段的电磁特性可以用Drude模型表征。
应用于传感器件、慢光器件以及集成光子件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的超表面光学材料，能实现太赫兹波段的类EIT效应，并且类EIT现象具有多通道的性质，有多个工作带，比单通道类EIT工作频率范围更广，功能更多。
2、本发明的超表面光学材料，能利用泵浦光源对其透过谱进行主动调控，在单通道类EIT现象和多通道类EIT现象之间切换，以适应不同情况下的需求。
3、本发明的超表面光学材料，具有较高的传感灵敏度，可用于传感器的设计与制造。
附图说明
图1为本发明可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料示意图(a)和光学单元(b)示意图。
图2为本发明可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料的透过谱随光敏硅电导率变化图。
图3为本发明中复合谐振器的透过谱随光敏硅电导率变化图(a)；复合谐振器与两个开口环谐振器透过谱对比图(b)。
图4为本发明中光敏硅电导率为10000S/m时透过谱与开口环边长的关系。其中小开口环边长a1变化时透过谱为图4(a)；大开口环边长a2变化时透过谱为图4(b)。
图5为本发明提出的超表面随环境介质折射率变化的透过谱(a)；及其透射谷和透射峰频率与介质折射率的关系(b)。
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。
实施例1:一种在太赫兹波段工作的可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，整体示意如图1(a)所示，包括基底1以及设置在所述的基底上的多个重复的光学单元2；该处仅展示9个周期，实际的超表面具有更多周期结构。所述的光学单元包括四根金属条21、大开口环22以及小开口环23；所述的大开口环以及小开口环均为正方形且设置有开口；所述的四根金属条组成金属条正方形，且相邻金属条之间保有间隙s；大开口环以及小开口环分别设置在所述的金属条正方形的对角位置且开口呈相反方向设置。
超表面单元示意如图1(b)所示，相邻金属条之间的间隔s＝5μm，该间隔由光敏硅填充。这里的金属为铜，其介电常数可以用Drude模型表示：
Figure BDA0002315651980000031
其中ε∞为真空介电常数，ε∞＝1，等离子体频率ωp＝6.03×1015rad/s，阻尼速率γp＝5.56×1013rad/s。光敏硅相对介电常数为11.9，电导率可由红外泵浦光源主动控制。所述的金属条的长度为L＝150μm，宽度为w＝5μm；小开口环的边长a1＝46μm，大开口环的边长a2＝60μm；大开口环以及小开口环的开口均为正方形，且边长g＝5μm；大开口环以及小开口环的中心与金属条正方形的中心距离在x方向和y方向上均是d1＝40μm。所述基底为聚酰亚胺，厚度为50μm；相对介电常数为2.9，介电损耗为0.02。也可用二氧化硅等类似介质代替。入射太赫兹波沿z方向，电场极化方向为x方向。
模拟实验:利用有限元仿真软件COMSOLMultiphysics5.3a对本发明进行仿真模拟实验。图2是超表面光学材料随光敏硅变化的透过谱。光敏硅的电导率会随红外泵浦光源的光强变化而发生改变。当光敏硅电导率为0S/m时，表示没有红外泵浦光源。此时超表面的透过谱为单通道类EIT效应，表现为只有一个透射峰和两个透射谷。当光敏硅电导率为10000S/m时，表示有较强的红外泵浦光源。此时超表面的透过谱为多通道类EIT效应，表现为有两个透射峰和三个透射谷，透射峰的透过率也有一定提高。
研究了四个金属条和光敏硅组成的复合谐振器(简称复合谐振器)随光敏硅电导率变化的透过谱，如图3(a)所示。当光敏x硅电导率为0S/m时，该谐振器的谐振频率为0.662THz。当光敏硅的电导率逐渐增加，谐振器的谐振频率逐渐降低。当光敏硅电导率增加到10000S/m时，谐振器的谐振频率降低至0.402THz。同时仿真了等大的金属方环谐振器，发现其谐振频率也为0.402THz，说明光敏硅的电导率增大时其电磁特性会逐渐与金属类似。改变光敏硅电导率会改变该谐振器的谐振频率，对复合谐振器谐振频率的主动调控是本发明实现类EIT效应切换的基础。
研究了复合谐振器以及两个开口环谐振器的透过谱，如图3(b)所示。开口环谐振器的透过谱不会随光敏硅变化而发生改变，其中大开口环的谐振频率为0.505THz，小开口环的谐振频率为0.676THz。分析可知，当光敏硅的电导率为0S/m时，复合谐振器只会和小开口环谐振器耦合产生单通道类EIT效应。当光敏硅的电导率为10000S/m时，复合谐振器会同时和小开口环谐振器和大开口环谐振器耦合产生多通道类EIT效应。
研究了两个开口环的大小对多通道EIT效应的影响，此时光敏硅电导率为10000S/m。图4(a)为小开口环边长a1变化对透过谱的影响。增大a1时，第二个透射峰和第三个透射谷频率会减小。图4(b)为大开口环边长a2变化对透过谱的影响。增大a2时，第一个透射峰和第二个透射谷频率会减小。通过改变开口环的尺寸可以控制多通道类EIT效应的透射峰以及透射谷频率，可根据自身需要对开口环大小进行改变。
研究了超表面随环境介质折射率变化的透过谱，如图5(a)所示。同时给出了dip1和peak的频率与介质折射率的关系，如图5(b)所示。dip1和peak的频率与折射率成线性关系。利用公式S＝Δf/Δn可以计算超表面的传感灵敏度。其中Δf为频率变化量，Δn为折射率变化量。计算得知超表面的传感灵敏度为200GHz/RIU。该灵敏度相比近几年的相关研究有一定优势，在生物传感器方向有较好的应用。
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 (5)

1.一种可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，其特征在于，包括基底以及设置在所述的基底上的多个重复的光学单元；所述的光学单元包括四根金属条、大开口环以及小开口环；所述的大开口环以及小开口环均为正方形且设置有开口；所述的四根金属条组成金属条正方形，且相邻金属条之间保有间隙s；大开口环以及小开口环分别设置在所述的金属条正方形的对角位置且开口呈相反方向设置;且大开口环以及小开口环的开口方向使大开口环的开口与小开口环的开口距离最远；相邻金属条之间的间隔s=5μm，该间隔由光敏硅填充;所述的金属条的长度为L=150μm，宽度为w=5μm；小开口环的边长a1=41-51μm，大开口环的边长a2=50-60μm；大开口环以及小开口环的开口均为正方形，且边长g=5μm；大开口环以及小开口环的中心与金属条正方形的中心距离在x方向和y方向上均是d1=40μm。
2.根据权利要求1所述的可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，其特征在于，大开口环的边长a2=60μm 小开口环的边长a1=46μm。
3.根据权利要求1所述的可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，其特征在于，所述基底为聚酰亚胺或者二氧化硅，厚度为50μm。
4.根据权利要求1所述的可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，其特征在于，所述金属条、大开口环以及小开口环的制备材料为铜、铝、金或者银，厚度为3μm。
5.根据权利要求1所述的可调多通道类电磁诱导透明超表面光学材料，其特征在于，应用于传感器件、慢光器件以及集成光子件。
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Dynamically tunable multi-channel and polarization-independent electromagnetically induced transparency in terahertz metasurfaces;Kun Ren;《Journal of Physics D: Applied Physics》;20200121;该论文全文 *

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