CN111293399A - 一种超稳定型电磁诱导透明超表面 - Google Patents

一种超稳定型电磁诱导透明超表面 Download PDF

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CN111293399A CN202010153079.7A CN202010153079A CN111293399A CN 111293399 A CN111293399 A CN 111293399A CN 202010153079 A CN202010153079 A CN 202010153079A CN 111293399 A CN111293399 A CN 111293399A
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李泉
刘珊珊
罗雨琪
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种超稳定型电磁诱导透明超表面；超表面是由多个硅基底上尺寸相同的几字型折线金属条和双U型开口金属环组成的结构单元在同一平面上周期性排列而成，几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，相邻的几字型折线金属条相互连接。几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘。结构单元为亚波长微结构单元。当改变结构的相对位置，依然具有稳定的EIT结果，距离变化最大高达30μm，因此设计具有超稳定型EIT的性能指标。利用EIT在太赫兹频段的电磁性能，可用于制备慢光器件、高灵敏度传感器和非线性器件等太赫兹器件；对于太赫兹波段的EIT实际应用具有重要意义。

Description

一种超稳定型电磁诱导透明超表面
技术领域
本发明是超稳定型电磁诱导透明(EIT)超表面，在此，我们提出了一种新的平面太赫兹超表面耦合方案，由于两种不同模态间的耦合作用，该结构表现出典型的EIT行为，当物理上改变谐振腔之间的相对距离时，透明峰依然存在。该方法在慢光器件、高灵敏度传感器和非线性器件等新型光学元件上具有广阔的应用前景，成为太赫兹领域的研究热点。
背景技术
电磁诱导透明(EIT)是一种物理现象，这种EIT效应可以从发生在三能级原子系统中的破坏性量子干涉中得到解释，这种干涉会导致在一个宽的吸收带内出现一个狭窄的透明窗口，产生异常强的正常色散，由于色散特性的显著改变，使原本不透明的介质变得透明。脉冲群速度降低的实现主要依赖于强色散，而强色散是实现多样化效果的关键。然而，量子光学的实现对材料和实验环境的选择有着严格的要求，因此EIT效应在原子系统中的进一步研究和实际应用明显受到限制。近年来，通过耦合谐振器、电子电路和等离子体结构等非量子方法对类EIT响应进行了大量的仿真研究，特别是基于亚波长金属结构的一系列EIT行为模拟物，包括开口环谐振器、耦合波导微谐振器、多层结构等，由于其特殊的介质特性，引起了人们极大的兴趣，成为模拟EIT行为的一种方案。经典的EIT现象因其具有高透射性和减缓光脉冲的能力，在慢光光子器件、非线性器件、光学存储器和电磁吸收器等器件中得到了广泛的应用。超表面可视为二维结构的超材料，是指一种厚度小于波长的人工层状材料，可以通过改变其微结构的形状和尺寸，实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。太赫兹超表面具有平面结构，易于制造，并具有稳定的共振输出。因此，它是实现电磁诱导透明独特特性的一种好方法，并且在太赫兹频段具有潜在的应用。然而在以往提出的研究中，当金属结构的对称性被打破，或改变谐振腔之间的相对距离时，EIT响应将被显著的改变甚至消失，所以现有的结构存在不稳定性，容易引起工程误差，为了满足特定设备的要求，依然需要设计出新的结构模型来实现稳定的EIT行为。
发明内容
根据现有技术，本发明提出了一种新型的耦合谐振结构，这种结构由几字型折线金属条和双U型开口金属环组成，这一结构能表现出稳定的电磁诱导透明效应。同时几字型折线金属条以其连续连接的特点，方便作为集成电极使用，为实现电控电磁透明器件提供了一种有效的方式。
本发明在太赫兹范围内提出了一种新型的超稳定EIT结构，采用几字型折线金属条和双U型开口金属环组成的结构，以硅作为基底材料，铝作为金属材料，对该结构的亚波长微结构单元进行了仿真。我们的设计通过改变结构的空间构型，系统地研究了EIT的光谱响应及其电磁性能，可以观察到与以往的研究结果有所不同，当改变结构的相对位置，依然具有稳定的EIT结果出现，因此我们的设计具有超稳定型EIT的性能指标。同时利用该超表面单元结构的平移和旋转不变的特性，可消除在制造器件的过程中引入的加工误差的影响。超稳定效果的具体体现，将在下述实施例中做出说明。本设计中的超表面结构具有很高的现实意义和十分广阔的应用范围。
本发明的技术方案如下：
一种超稳定型电磁诱导透明超表面，其超表面是由多个硅基底上尺寸相同的几字型折线金属条和双U型开口金属环组成的结构单元在同一平面上周期性排列而成，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘；相邻的几字型折线金属条相互连接。
几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上。
优选所述的结构单元为亚波长微结构单元。
优选硅基底的厚度h的范围为500μm～640μm，几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度t的范围为0.2μm～0.6μm。
优选几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度w的范围为1μm～11μm。
优选几字型折线金属条的竖条长度L的范围为64μm～74μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离D的范围为13μm～18μm。
优选双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离d的范围为0μm～30μm；双U型开口金属环竖条的长度l的范围为43.5μm～53.5μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx的范围为10μm～20μm。
优选两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离s的范围为2μm～12μm。
优选双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离g的范围为0μm～12μm。
本发明将结构单元中双U型开口金属环作为一个整体，以结构单元的几何中心为原点做顺时针或逆时针旋转，优选旋转角度θ的范围为0°～12°。
本超稳定型电磁诱导透明超表面的亚波长微结构单元的仿真方法是采用通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空；
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam；
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref；
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果。
与现有Z.Li等人在Phys.D:Appl.Phys,Vol.51,No.17,174005,2018中的文章里提出将超辐射和亚辐射谐振器之间的尺寸改变至22μm时，EIT的透明峰完全关闭，以及M.Liu等人在Optics Express,Vol.19,No.9,8912-8919,2011中的文章里设计了通过改变两个模式之间的耦合距离在10μm内很小的距离即导致谐振器间的相消干涉减弱，EIT透明窗口不断减小至消失的技术相比，本发明的一种超稳定型电磁诱导透明超表面，当改变结构的相对位置，距离变化最大高达30μm，依然具有稳定的EIT结果，因此我们的设计具有超稳定型EIT的性能指标。利用EIT在太赫兹频段的电磁性能，可用于制备慢光器件、高灵敏度传感器和非线性器件等太赫兹器件。
本发明具有以下突出的实质性特点和显著优点：
1.一种新的结构模型—几字型折线金属条和双U型开口金属环。
2.在太赫兹波段下可以明显观测到EIT效应，当改变结构的相对位置，依然具有稳定的EIT结果，对于太赫兹波段的EIT实际应用具有重要意义。
附图说明
图1：为EIT超表面结构单元的硅基底；h：硅基底厚度；P：硅基底长度和宽度；
图2：为EIT超表面结构单元的金属层；t：几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度；w：几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度；L：几字型折线金属条的竖条长度；d：双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离；l：双U型开口金属环竖条的长度为；s：两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离；Δx：双U型开口金属环的开口宽度；g：双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离。
图3：为在图2基础上，将双U型开口金属环向上平移至几字型折线金属条横条下端，d＝0时的图形。
图4：为在图2基础上，将双U型开口金属环向左平移至几字型折线金属条的左侧竖条的右侧，g＝0时的图形。
图5：为在图2基础上，以结构单元的几何中心为原点，将双U型开口金属环顺时针旋转，θ＝12°时的图形；
图6：为EIT超表面结构单元的俯视图；D：几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离；取该超表面结构单元的几何中心为原点。
图7：为EIT超表面结构的总图。
具体实施方式
本发明的仿真方法是采用通用的三维电磁仿真软件CST，所不同的地方在于此时设计的金属层是由几字型折线金属条和双U型开口金属环组成，通过对不同参数下的结构单元进行仿真，验证该结构具有的稳定性EIT特性。超表面的亚波长微结构单元的排列形状为，几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘。硅基底的厚度为h；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均为w；几字型折线金属条的竖条长度为L；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d；双U型开口金属环竖条的长度为l；双U型开口金属环的开口宽度为Δx；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s；双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g。其中h的范围为500μm～640μm；t的范围为0.2μm～0.6μm；w的范围为1μm～11μm；L的范围为64μm～74μm；D的范围为13μm～18μm；d的范围为0μm～30μm；l的范围为43.5μm～53.5μm；Δx的范围为10μm～20μm；s的范围为2μm～12μm；g的范围为0μm～12μm。以及可获得在上述结构基础上，将双U型开口金属环作为一个整体，以超表面的几何中心为原点做顺时针或逆时针旋转，旋转角度θ的范围为0°～12°的超表面。
实施例1
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝10μm；双U型开口金属环竖条的长度为l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度为Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝6μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.56THz处产生一个明显的透明窗口。
下述实施例中我们将依据这一实施例的结构，依次改变几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度，几字型折线金属条与双U型开口金属环的的相对位置来验证不随尺寸变化而变化的超稳定的EIT效应。
实施例2
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝11μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝74μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝13μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝5μm；双U型开口金属环竖条的长度为l＝53.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝2μm；双U型开口金属环的开口宽度为Δx＝10μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝1μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.53THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度w从6μm增加至11μm，通过仿真观察到金属条宽度的增加并未导致EIT现象的消失，因此验证了即使金属条宽度被改变，EIT效应仍然稳定存在。
实施例3
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝1μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝64μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝18μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝15μm；双U型开口金属环竖条的长度为l＝43.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝12μm；双U型开口金属环的开口宽度为Δx＝20μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝11μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.56THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度从6μm减小至1μm，通过仿真观察到金属条宽度的减小并未导致EIT现象的消失，因此验证了即使金属条宽度被改变，EIT效应仍然稳定存在。
实施例4
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝0μm；双U型开口金属环竖条的长度为l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度为Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝6μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.50THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体向上平移，d值从10μm减小至最小0μm，通过仿真观察到，当改变几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对距离时，并未导致EIT现象的消失，验证了即使结构的相对距离被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例5
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝25μm；双U型开口金属环竖条的长度为l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度为Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝6μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.56THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体向下平移，d值从10μm增加至25μm，通过仿真观察到，当改变几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对距离时，并未导致EIT现象的消失，进一步验证了即使结构的相对距离被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例6
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴呈对称分布；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝30μm；双U型开口金属环竖条长度l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝6μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.58THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体向下平移，d值从25μm增加至最大值30μm，通过仿真观察到，当改变几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对距离时，并未导致EIT现象的消失，再次验证了即使结构的相对距离被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例7
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。在实施例1的基础上，保持几字型折线金属条位置不变，将双U型开口金属环作为一个整体向左移动，几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为：几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴的对称被打破。几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝10μm；双U型开口金属环竖条长度l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝0μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.52THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体向左平移，g值从6μm减小至0μm，通过仿真观察到，即使几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对距离发生变化，结构的对称性被打破，也不会导致EIT现象的消失，验证了即使结构的相对距离被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例8
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。在实施例1的基础上，保持几字型折线金属条位置不变，将双U型开口金属环作为一个整体向右移动，几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为，几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴的对称被打破。几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离为D＝15.5μm；双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离为d＝10μm；双U型开口金属环竖条长度l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx＝15μm；并且，双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离为g＝11μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.54THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体向右平移，g值从6μm增加至11μm，通过仿真观察到，即使几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对距离发生变化，结构的对称性被打破，也不会导致EIT现象的消失，进一步验证了即使结构的相对距离被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例9
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。在实施例1的基础上，保持几字型折线金属条位置不变，将双U型开口金属环作为一个整体，以原点为旋转中心逆时针旋转12°。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为，几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴的对称被打破。几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；双U型开口金属环竖条长度l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx＝15μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.55THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体逆时针旋转，θ值从0°减小至-12°，通过仿真观察到，即使几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对位置发生变化，结构的对称性被打破，也不会导致EIT现象的消失，验证了即使结构的相对位置被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
实施例10
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明并不局限于以下实例。
如图1～7所示，该超表面模型取结构单元的几何中心为原点。在实施例1的基础上，保持几字型折线金属条位置不变，将双U型开口金属环作为一个整体，以原点为旋转中心顺时针旋转10°。几字型折线金属条和双U型开口金属环均采用铝进行仿真，其亚波长微结构单元的排列形状为，几字型折线金属条居中放置在结构单元硅基底上，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘，结构单元关于y轴的对称被打破。几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度均为t＝0.2μm；几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度均w＝6μm；几字型折线金属条的竖条长度为L＝69μm；双U型开口金属环竖条长度l＝48.5μm；两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离为s＝7μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx＝15μm。
这种在太赫兹频率下可观测的电磁诱导透明的超表面的仿真方法为通用的三维电磁仿真软件CST，通过对上述结构进行仿真，得到不同参数下的单元结构的仿真结果；包括如下步骤：
(1)在计算机仿真软件CST微波工作室中，设置尺寸单位为μm、频率单位THz、时间单位为ps；在绘图平面创建结构单元的硅基底图形，其中硅材料的相对介电常数为11.9；在硅基底图形表面创建几字型折线金属条和双U型开口金属环图形，其中金属为铝，其电导率为3.56×107S/m；设置背景材料为真空。
(2)定义靠近金属上侧为端口1，硅基底底部为端口2；打开波导端口，定义边界条件为x方向磁场、y方向电场、z方向为半无限自由空间；设置频率范围为0～3THz；采用有限积分法的瞬态时域求解器，可获得透射系数，即CST中的S2,1参数，将该透射系数导出并命名为Tsam。
(3)将硅基底表面的金属图形去掉，其余设置与步骤(1)和(2)相同，仿真得到只有硅基底时的透射系数，将该透射系数导出并命名为Tref。
(4)将Tsam除以Tref，绘制出图形，即获得本发明中EIT的最终结果，得到该超表面在0.55THz处产生一个明显的透明窗口。
在此实施例中，我们将双U型开口金属环整体顺时针旋转，θ值从0°增加至10°，即使几字型折线金属条与双U型开口金属环的相对位置发生改变，结构的对称性被打破，也不会导致EIT现象的消失，进一步验证了即使结构的相对位置被改变，EIT效应仍然稳定存在这一结果。
虽然本发明以较佳的实例揭示如上，但其并非用以限定本发明；任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以对所述发明进行各种改动和润饰，因此，本发明的保护范围应当视本申请的专利范围所限定的为准。

Claims (9)

1.一种超稳定型电磁诱导透明超表面，其特征是：超表面是由多个硅基底上尺寸相同的几字型折线金属条和双U型开口金属环组成的结构单元在同一平面上周期性排列而成，双U型开口金属环位于几字型折线金属条内侧，几字型折线金属条左右两端横条延长至结构单元边缘；相邻的几字型折线金属条相互连接。
2.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是所述的结构单元为亚波长微结构单元。
3.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是硅基底的厚度h的范围为500μm～640μm，几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属层厚度t的范围为0.2μm～0.6μm。
4.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是几字型折线金属条和双U型开口金属环的金属线条宽度w的范围为1μm～11μm。
5.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是几字型折线金属条的竖条长度L的范围为64μm～74μm；几字型折线金属条的最上端或最下端与其结构单元边缘的距离D的范围为13μm～18μm。
6.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是双U型开口金属环竖条上端与几字型折线金属条横条下端的距离d的范围为0μm～30μm；双U型开口金属环竖条的长度l的范围为43.5μm～53.5μm；双U型开口金属环的开口宽度Δx的范围为10μm～20μm。
7.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是两个U型开口金属环中相邻的两个竖条的距离s的范围为2μm～12μm。
8.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是双U型开口金属环中位于左侧的U型开口金属环的左侧竖条与几字型折线金属条的左侧竖条的距离g的范围为0μm～12μm。
9.如权利要求1所述的电磁诱导透明超表面；其特征是将结构单元中双U型开口金属环作为一个整体，以结构单元的几何中心为原点做顺时针或逆时针旋转，旋转角度θ的范围为0°～12°。
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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
CN113948871A (zh) * 2021-09-28 2022-01-18 西安交通大学 频率可调太赫兹电磁诱导透明器件及其频率调控方法和应用

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