CN111239865A - 一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，该吸收器由吸收器单元阵列组成，吸收器单元由顶层设计金属图样层和底部金属背板层两个金属层夹贴聚酰亚胺介质层的三层结构组成，三层结构紧密贴合；所述顶层设计金属图样层采用双开口环图样正交工字图样的结构；所述顶层设计金属图样层和底部金属背板层采用金、铬双层金属复合结构，增加了结构之间的粘附性。本发明利用吸收器单元结构周期和顶层设计金属图样层尺寸的匹配关系，在0.3THz到2THz范围内实现了基于表面等离子激元模式的吸收峰、且该吸收峰具有高吸收率和高品质因子特点。

Description

一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器
技术领域
本发明涉及超材料吸收器领域，具体涉及一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器。
背景技术
随着一系列新材料、新技术的发展，特别是人工电磁超材料以及超快技术的发展，太赫兹相关技术得以迅速发展。太赫兹波是指频率范围在0.1THz到10THz之间的电磁波，具有光子携带能量低、高信噪比、非金属非极性材料“透明”等特点，且许多生物大分子的振动和转动能级，许多先进材料的声子振动能级多处在THz频域范围内，在生物化学领域、国防安全领域、第六代通讯设备领域具有广阔的应用前景。相较于自然材料，人工电磁超材料的电磁性质依赖于人为的设计，可实现对太赫兹波的精准调控。基于超材料结构的太赫兹吸收器，也成为了太赫兹领域的研究热点之一。近年来，对太赫兹超材料吸收器的研究不断深入，传统的只能实现完美吸收特性的太赫兹超材料吸收器不能满足实际应用中的各项要求，太赫兹超材料吸收器的设计逐步转向指定功能的特殊性能器件，设计一种具有高品质因子的吸收响应的太赫兹超材料吸收器将在传感、检测领域具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，具有表面等离子激元耦合偶极子模式激发的高品质因子吸收峰。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，该吸收器由吸收器单元阵列组成，吸收器单元包括顶层设计金属图样层、聚酰亚胺介质层和底部金属背板层，顶层设计金属图样层采用双开口环图样正交工字图样的结构，分别用来提供基础的LC共振模式吸收和偶极子共振模式吸收，吸收器单元结构周期为顶层设计金属图样横向尺寸的2～3倍。
进一步地，所述的顶层设计金属图样层和底部金属背板层采用金、铬双层金属复合结构。
进一步地，所述顶层设计金属图样层中双开口环图样的横向尺寸为工字图样横向尺寸的0.85～1.5倍。
进一步地，所述工字图样高度H为40μm～60μm，宽度W为40μm～60μm。
进一步地，所述双开口环图样宽度w为40μm～60μm，高度h为所述工字图样高度的0.4～0.6倍。
进一步地，所述双开口环图样的开口尺寸g为5μm～w/2μm。
进一步地，所述聚酰亚胺介质层厚度为6～12μm，介电常数为2.8～3.5。
进一步地，所述顶层设计金属图样层厚度为150～200nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在0.3THz到2THz范围内实现了基于表面等离子激元模式的吸收峰、且该吸收峰具有高吸收率和高品质因子特点。
附图说明
图1为本发明基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器单元结构三维视图；
图2为本发明基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器单元结构主视图；
图3为本发明顶层金属设计图样的本征吸收光谱；
图4为本发明的表面等离子激元模式的电场分布图；
图5为本发明基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器的吸收光谱。
附图中，1-底部金属背板层；2-聚酰亚胺介质层；3-顶层设计金属图样层；4-工字图样；5-双开口环图样。
具体实施方案
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1-2所示，一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，该吸收器由吸收器单元阵列组成，吸收器单元包括顶层设计金属图样层3、聚酰亚胺介质层2和底部金属背板层1，顶层设计金属图样层3采用双开口环图样5正交工字图样4的结构，分别用来提供基础的LC共振模式吸收和偶极子共振模式吸收，吸收器单元结构周期为顶层设计金属图样层3横向尺寸的2～3倍。
顶层设计金属图样层3和底部金属背板层1采用金、铬双层金属复合结构。
顶层设计金属图样层3中双开口环图样5的横向尺寸为工字图样4横向尺寸的0.85～1.5倍。工字图样4高度H为40μm～60μm，宽度W为40μm～60μm。双开口环图样5宽度w为40μm～60μm，高度h为工字图样4的0.4～0.6倍，双开口环图样5开口尺寸g为5μm～w/2μm。
聚酰亚胺介质层2厚度为6～12μm，介电常数为2.8～3.5。
底部金属背板层1的厚度超过太赫兹波段的趋肤深度，可实现对入射太赫兹波的完全反射。
顶层设计金属图样层厚度为150～200nm。
表面等离子激元贡献的吸收模式的频率位置与吸收器单元周期之间的关系可由公式(1)表述：
Figure BDA0002370989010000041
其中：c代表光速，i和j代表倒格矢的阶数，p代表吸收器单元周期，εeff是等效介电常数。
也就是说，通过调配吸收器单元周期就可获得不依赖于顶层设计金属图样几何特征而产生的吸收模式。吸收器单元周期引起的表面等离子激元模式与顶层设计金属图样产生的本征吸收峰相互耦合、过渡和转化。在特定的比例范围约束下实现高吸收率、高品质因子的吸收特性。
如图3所示，本发明提供的基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，在不引入表面等离子激元产生的吸收模式情况下，其中顶层设计金属图样层3双开口环图样5提供的LC模式共振吸收的本征位置位于1.03THz，工字图样4提供的偶极子模式共振吸收本征位置位于1.78THz。随着吸收器单元周期的不断增大，根据公式(1)所述，表面等离子激元模式产生的吸收峰将不断向低频位置移动，最终将靠近并穿越顶层设计金属图样共振产生的吸收峰位置并在此阶段实现两种模式的相互耦合、过渡和转化。
如图4所示，为本发明基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器的表面等离子激元模式下的电场分布图，可以看出，电场集中在吸收器的表面处，形成了局域表面等离子激元；通过合适调配吸收器单元周期，使表面等离子激元模式产生的频率位置与顶层设计金属图样共振的本征频率位置接近，实现两种模式的耦合，进而增强吸收率和品质因子。
如图5所示，本发明提供的基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器在0.3THz到2THz内具有三个吸收峰，其中1.69THz位置处的吸收峰为表面等离子激元模式耦合偶极子模式实现的高吸收、高品质因子峰值。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，该吸收器由吸收器单元阵列组成，吸收器单元包括顶层设计金属图样层、聚酰亚胺介质层和底部金属背板层，其特征在于，顶层设计金属图样层采用双开口环图样正交工字图样的结构，分别用来提供基础的LC共振模式吸收和偶极子共振模式吸收，吸收器单元结构周期为顶层设计金属图样横向尺寸的2～3倍。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述的顶层设计金属图样层和底部金属背板层采用金、铬双层金属复合结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述顶层设计金属图样层中双开口环图样的横向尺寸为工字图样横向尺寸的0.85～1.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述工字图样高度H为40μm～60μm，宽度W为40μm～60μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述双开口环图样宽度w为40μm～60μm，高度h为所述工字图样高度的0.4～0.6倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述双开口环图样的开口尺寸g为5μm～w/2μm。
7.根据权利要求1所述一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述聚酰亚胺介质层厚度为6～12μm，介电常数为2.8～3.5。
8.根据权利要求1所述一种基于表面等离子激元的多频太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述顶层设计金属图样层厚度为150～200nm。
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