CN111200188A - 一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，包括第一介质基板、第二介质基板、第一金属条、第二金属条、第一金属对称开口谐振圆环和第二金属对称开口谐振圆环，第二介质基板位于第一介质基板下，第一金属对称开口谐振圆环位于第一金属条和第二金属条之间，第二金属对称开口谐振圆环位于第二金属条远离第一金属对称开口谐振圆环的一侧。在入射电磁场激励的条件下，金属条和电磁波发生强耦合，充当明模谐振；金属对称开口谐振环和电磁波发生弱耦合，充当暗模谐振。基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构和入射电磁场的耦合，由明暗模近场耦合原理可以实现多频带的电磁感应透明现象。
Description
技术领域
本发明涉及电磁感应透明结构技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构。
背景技术
电磁感应透明是量子系统中的一种重要光学效应，当有一束强烈的探测光入射时，会使原子介质对泵浦光的传输谱上产生一个窄带透明窗口。这是因为泵浦光和探测光同时作用在同一原子上时，在原子的激发路径形成了量子相消干涉，导致光在原子的共振频率出吸收减少或不吸收，使得原本“不透明”的物质变得“透明。这种透明效应在透明窗口处伴随着强烈的色散效应，可应用在光存储，光开关，慢光传播和非线性光学等领域。然而，在量子系统中实现电磁感应透明效应需要稳定的激光束，超低温度等。严苛的实验条件使得电磁感应透明效应的推广使用十分艰难，但是超材料的诞生解决了这一难题。利用偶极子谐振模型原理，在超材料中模拟电磁感应透明现象已经得到了很多科研人员的实验和理论的验证。
太赫兹波指的是频率范围在0.1THz-10THz，波长范围在30um-3000um的电磁波。太赫兹波位于光波和微波波段之间，具有很多光波和微波的优点，例如其的低能特性，不会对被检测物质产生电离干破坏，所以太赫兹波段的电磁感应透明研究对医学领域有着重要的研究意义。
目前大多数的研究都处于GHz频段的单一频段的电磁感应透明研究，很少有在太赫兹波段的多频带电磁感应透明的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，旨在解决目前大多数的研究都处于GHz频段的单一频段的电磁感应透明研究，很少有在太赫兹波段的多频带电磁感应透明的研究的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，包括第一介质基板、第二介质基板、第一金属条、第二金属条、第一金属对称开口谐振圆环和第二金属对称开口谐振圆环，所述第二介质基板位于所述第一介质基板下，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环均位于所述第一介质基板远离所述第二介质基板的一侧，所述第一金属条和所述第二金属条平行设置，所述第一金属对称开口谐振圆环位于所述第一金属条和所述第二金属条之间，所述第一金属对称开口谐振圆环具有两个第一缺口，且两个所述第一缺口分别位于靠近所述第一金属条和所述第二金属条的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环位于所述第二金属条远离所述第一金属对称开口谐振圆环的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环具有两个第二缺口，且两个所述第二缺口与两个所述第一缺口位于同一直线上，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环的几何中心连线与所述第一介质基板表面的水平中线相重叠。
其中，所述第一介质基板和所述第二介质基板的长度均为150um-176um，宽度均为120um，第一介质基板的高度为3um-8um，第二介质基板高度为20um-80um。
其中，所述第一金属条和第二金属条的长度均为76um-80um，宽度均为3um-10um，高度均为200nm。
其中，所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环的外半径均为18un-25um，内半径均为13un-20um，高度均为200nm。
其中，所述第一金属条和所述第一金属对称开口谐振圆环、所述第二金属条和所述第二金属对称开口谐振圆环的间距均为5um，所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属条的间距为5um。
其中，所述第一缺口和所述第二缺口的横截面积均为正方形，边长均为5um。
本发明的一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，通过所述第一金属条、所述第二金属条、所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环在太赫兹频段内产生中心频率为1.08THz，1.24THz和1.32THz的三个透明窗口，三个透明窗口的投射率分别达到83％、80％和78％。该结构不仅可以应用基于电磁感应透明效应设计的多频带的器件上，而且三个窗口都达到了较好透射效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构的结构示意图；
图2是本发明基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构的透射曲线图；
图3是本发明基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构又一实施例的透射曲线图；
图中：100-基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构、1-第一介质基板、2-第二介质基板、3-第一金属条、4-第二金属条、5-第一金属对称开口谐振圆环、6-第二金属对称开口谐振圆环、51-第一缺口、61-第二缺口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构100，包括第一介质基板1、第二介质基板2、第一金属条3、第二金属条4、第一金属对称开口谐振圆环5和第二金属对称开口谐振圆环6，所述第二介质基板2位于所述第一介质基板1下，所述第一金属条3、所述第二金属条4、所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6均位于所述第一介质基板1远离所述第二介质基板2的一侧，所述第一金属条3和所述第二金属条4平行设置，所述第一金属对称开口谐振圆环5位于所述第一金属条3和所述第二金属条4之间，所述第一金属对称开口谐振圆环5具有两个第一缺口51，且两个所述第一缺口51分别位于靠近所述第一金属条3和所述第二金属条4的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环6位于所述第二金属条4远离所述第一金属对称开口谐振圆环5的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环6具有两个第二缺口61，且两个所述第二缺口61与两个所述第一缺口51位于同一直线上，所述第一金属条3、所述第二金属条4、所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6的几何中心连线与所述第一介质基板1表面的水平中线相重叠。
在本实施方式中，所述第一介质基板1为矩形，材料为Si膜，所述第二介质基板2为矩形，材料为Al2O3，所述第一介质基板1和所述第二介质基板2的长度均为150um-176um，宽度均为120um，即所述第一介质基板1和所述第二介质基板2在Z方向上截面形状大小相同，所述第一介质基板1的高度为3um-8um，所述第二介质基板2高度为20um-80um。所述第一金属条3、所述第二金属条4、所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6是金属Al，几何中心连线与所述第一介质基板1表面的水平中线相重叠，即几何中心落在所述第一介质基板1的Y方向中线上。所述第一金属条3和第二金属条4的长度均为76um-80um，宽度均为3um-10um，高度均为200nm。所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6的外半径均为18um-25um，内半径均为13um-10um，高度均为200nm。所述第一金属条3和所述第一金属对称开口谐振圆环5、所述第二金属条4和所述第二金属对称开口谐振圆环6的间距均为5um，所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属条4的间距为5um。所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6均是圆柱环截掉两个正方形所得，即所述第一缺口51和所述第二缺口61的横截面积均为正方形，边长均为5um。
工作原理为：当一个Y极化的电磁波沿Z方向垂直结构单元入射时，入射电磁波和金属条直接耦合，所以金属条作为明模。金属对称开口谐振圆环和金属条通过近场耦合，间接和入射电磁波耦合，所以作为暗模。此时该结构的透射谱中将产生三个透明窗口，三个中心频率为0.6THz-2THz，第一个中心频率为1.08THz的透明窗口由所述第一金属条3和所述第一金属对称开口谐振圆环5产生，第二个中心频率为1.24THz的透明窗口由所述第二金属条4和所述第二金属对称开口谐振圆环6产生。第三个中心频率为1.32THz的透明窗口由所述第一金属条3、第一金属对称开口谐振圆环5、第二金属条4和第二金属对称开口谐振圆环6产生。所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构100实现了在太赫兹频段内产生了三个透明窗口，三个透明窗口的透射率均在80％左右。该结构不仅可以应用基于电磁感应透明效应设计的多频带的器件上，而且三个窗口都达到了较好透射效果。
在一实施方式中，所述第一金属条3和所述第二金属条4形状尺寸相同，长为80um，宽为2um，厚度为200nm。所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6的形状尺寸相同，内径为21um，外径为23um，所述第一缺口51和所述第二缺口61为边长是5um的正方形。金属结构材料均为介电常数是11.9的Al。所述第一介质基板1长为150um，宽为120um，厚度为5um，由介电常数为11.7的薄膜Si构成。所述第二介质基板2长为150um，宽为120um，厚度为30um，由介电常数为3.16的Al2O3构成。所述第一金属条3和所述第一介质基板1的左边边缘的间距为12.5um，所述第二金属对称开口谐振圆环6和所述第一介质基板1的右边缘间距为20um。通过使用CST仿真软件对所述基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构进行仿真，可以得到透射谱如图2所示。透射光谱在频率0.6THz-1.8THz范围内，出现了三个明显的透明窗口。第一个透明窗口的中心频率为1.13THz，透射率达到了83％；第二个透明窗口的中心频率为1.25THz，透射率达到了80％。两个都能产生一个透明窗口的结构发生互耦，所以产生了第三个透明窗口，第三个透明窗口的中心频率为1.32THz，透射率达到了78％。
在一实施方式中，所述第一金属条3和所述第二金属条4的形状尺的长为76um，宽为5um，厚度为200nm。所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6的形状内径为18um，外径为23um，所述第一缺口51和所述第二缺口61为边长是5um；所述第一介质基板1长为176um，宽为120um，厚度为5um；所述第二介质基板2长为176um，宽为120um，厚度为30um。对结构100进行优化仿真计算后，可以得到最优结构，请参阅图3，是此结构的透射谱图。当Y极化的电磁波垂直平面入射时，入射电磁场和所述第一金属条3和所述第一金属对称开口谐振圆环5的结构上时，由于明暗模的近场耦合原理，产生一个透明窗口1。入射电磁场和所述第二金属条4和所述第二金属对称开口谐振圆环6的结构上时，由于明暗模的近场耦合原理，产生一个透明窗口2。入射电磁场和所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6再次近场耦合，产生一个透明窗口3。三个透射窗口的中心频率分别为1.08THz，1.24THz，1.32THz，窗口的透射率均在80％左右。窗口以0.6的透射率为标准时的三个窗口宽度的基板一致。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
包括第一介质基板、第二介质基板、第一金属条、第二金属条、第一金属对称开口谐振圆环和第二金属对称开口谐振圆环，所述第二介质基板位于所述第一介质基板下，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环均位于所述第一介质基板远离所述第二介质基板的一侧，所述第一金属条和所述第二金属条平行设置，所述第一金属对称开口谐振圆环位于所述第一金属条和所述第二金属条之间，所述第一金属对称开口谐振圆环具有两个第一缺口，且两个所述第一缺口分别位于靠近所述第一金属条和所述第二金属条的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环位于所述第二金属条远离所述第一金属对称开口谐振圆环的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环具有两个第二缺口，且两个所述第二缺口与两个所述第一缺口位于同一直线上，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环的几何中心连线与所述第一介质基板表面的水平中线相重叠。
2.如权利要求1所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
所述第一介质基板和所述第二介质基板的长度均为150um-176um，宽度均为120um，第一介质基板的高度为3um-8um，第二介质基板高度为20um-80um。
3.如权利要求1所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
所述第一金属条和第二金属条的长度均为76um-80um，宽度均为3um-10um，高度均为200nm。
4.如权利要求1所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属对称开口谐振圆环的外半径均为18un-25um，内半径均为13un-20um，高度均为200nm。
5.如权利要求1所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
所述第一金属条和所述第一金属对称开口谐振圆环、所述第二金属条和所述第二金属对称开口谐振圆环的间距均为5um，所述第一金属对称开口谐振圆环和所述第二金属条的间距为5um。
6.如权利要求1所述的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，其特征在于，
所述第一缺口和所述第二缺口的横截面积均为正方形，边长均为5um。
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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 | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jiang Yannan Inventor after: Chen Yanjun Inventor after: Wang Jiao Inventor before: Jiang Yannan Inventor before: Wang Jiao Inventor before: Chen Yanjun |